I2C,SPI,USB,UART常見接口的原理簡析

1、. 常見接口電路介紹一、 I2C總線簡介1. 什么是I2C？NXP 半導(dǎo)體（原Philips 半導(dǎo)體）于20 多年前發(fā)明了一種簡單的雙向二線制串行通信總線，這個總線被稱為Inter-IC 或者I2C 總線。目前I2C 總線已經(jīng)成為業(yè)界嵌入式應(yīng)用的標準解決方案，被廣泛地應(yīng)用在各式各樣基于微控器的專業(yè)、消費與電信產(chǎn)品中，作為控制、診斷與電源管理總線。多個符合I2C 總線標準的器件都可以通過同一條I2C 總線進行通信，而不需要額外的地址譯碼器。由于I2C 是一種兩線式串行總線，因此簡單的操作特性成為它快速崛起成為業(yè)界標準的關(guān)鍵因素2. I2C總線的基本概念1） 發(fā)送器（Transmitter）：發(fā)送

2、數(shù)據(jù)到總線的器件2） 接收器（Receiver）：從總線接收數(shù)據(jù)的器件3） 主機（Master）：初始化發(fā)送、產(chǎn)生時鐘信號和終止發(fā)送的器件4） 從機（Slave）：被主機尋址的器件其線路結(jié)構(gòu)圖如下：如上圖示，I2C 總線具有如下特點：1）I2C 總線是雙向傳輸?shù)目偩€，因此主機和從機都可能成為發(fā)送器和接收器。不論主機是發(fā)送器還是接收器，時鐘信號SCL 都要由主機來產(chǎn)生2） 只需要由兩根信號線組成，一根是串行數(shù)據(jù)線SDA，另一根是串行時鐘線SCL3） SDA 和SCL 信號線都必須要加上拉電阻Rp（Pull-Up Resistor）。上拉電阻一般取值310K4） SDA 和SCL 管腳都是漏極開路

3、（或集電極開路）輸出結(jié)構(gòu)3. I2C總線的信號傳輸1）3種速率可選擇標準模式100kbps、快速模式400kbps、最高速率3.4Mbps2）具有特定的傳輸起始、停止條件a）起始條件：當SCL 處于高電平期間時，SDA 從高電平向低電平跳變時產(chǎn)生起始條件。起始條件常常簡記為Sb）停止條件：當SCL 處于高電平期間時，SDA 從低電平向高電平跳變時產(chǎn)生停止條件。停止條件簡記為P3） 數(shù)據(jù)傳輸從確定從機地址開始a）多個從機可連接到同一條I2C 總線上，它們之間通過各自唯一的器件地址來區(qū)分b）一般從機地址由7 位地址位和一位讀寫標志R/W 組成，7 位地址占據(jù)高7 位，讀寫位在最后。讀寫位是0，表示

4、主機將要向從機寫入數(shù)據(jù)；讀寫位是1，則表示主機將要從從機讀取數(shù)據(jù)4） 以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式a）I2C 總線以字節(jié)（Byte）為單位收發(fā)數(shù)據(jù)，主機總是先發(fā)地址再發(fā)數(shù)據(jù)b）在I2C 總線傳輸數(shù)據(jù)過程中，每傳輸一個字節(jié)，都要跟一個應(yīng)答狀態(tài)位。遵循“誰接收誰產(chǎn)生”的原則，即總是由接收器產(chǎn)生應(yīng)答位，應(yīng)答位為0 表示接收器應(yīng)答（ACK）；為1 則表示非應(yīng)答（NACK）c）如果接收器在接收完最后一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，或者不能再接收更多的數(shù)據(jù)時，應(yīng)當產(chǎn)生非應(yīng)答來通知發(fā)送器4. I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時序圖示1）傳輸格式圖示（灰色為主機的工作時隙，白色為從機的工作時隙）S：起始位（START）SA：從機地址（Sla

5、ve Address），7 位從機地址W：寫標志位（Write），1 位寫標志R：讀標志位（Read），1 位讀標志A：應(yīng)答位（Acknowledge），1 位應(yīng)答A：非應(yīng)答位（Not Acknowledge），1 位非應(yīng)答D：數(shù)據(jù)（Data），每個數(shù)據(jù)都必須是8 位P：停止位（STOP）2）傳輸時序示例5. I2C總線在手機上的常見應(yīng)用所應(yīng)用范圍包括：攝像頭、調(diào)頻收音機芯片、音頻編解碼芯片、模擬電視、光電鼠標等二、 SPI總線簡介1.什么是SPI？串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola 公司推出的一種同步串行接口，Motor

6、ola 公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（微控制器）都配有SPI 硬件接口，如68 系列MCU。SPI 用于CPU 與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊2.SPI總線應(yīng)用線路圖示如上圖示，SPI 總線具有如下特點：1）包含主機（MASTER）以及從機（SLAVE）2）由4 條必要信號線組成：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機選擇線（SS）3） 如果需要增加外部從機，則相應(yīng)需要增加對應(yīng)此器件的低電平有效從機選擇線（SS）3.SPI總線波特率和時鐘模式1）SPI模塊支持125種不同的波特率，最大波特率為系統(tǒng)時鐘頻率的四分之一

7、2）SPI有四種時鐘模式，由CLOCK POLARITY 和CLOCK PHASE位控制。CLOCK POLARITY 位選擇時鐘的有效沿是上升沿還是下降沿， CLOCK PHASE位選擇是否有半個時鐘周期的延時a）上升沿，無延時：SPI 在時鐘上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在時鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)b）上升沿，有延時：SPI 在時鐘上升沿前半個周期發(fā)送數(shù)據(jù)，在時鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)c）下降沿，無延時：SPI 在時鐘下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在時鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)d）下降沿，有延時：SPI 在時鐘下降沿前半個周期發(fā)送數(shù)據(jù)，在時鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)4 種時鐘模式如圖所示4.SPI總線傳輸特點SPI 是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其時序其

8、實很簡單，主要是在SCLK 的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：以上升沿，無延時時鐘模式為例，上升沿到來的時候，MOSI 上的電平將被發(fā)送到從設(shè)備的寄存器中，下降沿到來的時候，MISO 上的電平將被接收到主設(shè)備的寄存器中舉例：假設(shè)主機和從機初始化就緒：并且主機的sbuff=0xaa，從機的sbuff=0x55，下面將分步對SPI 的8 個時鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍(時鐘的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù), 在時鐘的下降沿接收數(shù)據(jù))(上面的上表示上升沿、下表示下降沿。這樣就完成了兩個寄存器8 位的交換)5.SPI總線在手機上的常見應(yīng)用所應(yīng)用范圍包括：LCD、觸摸屏控制芯片等三、 串口簡介1.

9、什么是串口？串口是計算機上一種非常通用的設(shè)備通信的協(xié)議。串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。串口能夠輕松實現(xiàn)遠距離通信。2. 串口應(yīng)用線路圖示典型地，串口通信使用3 根線完成：（1） 地線，（2）發(fā)送，（3）接收3.串口總線傳輸特點串口通信最重要的參數(shù)是波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：1） 波特率：a） 這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit 的個數(shù)，通常串口的波特率為14400，28800 和36600 等b）

10、波特率和距離成反比2）起始位：起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯“0”電平，標志傳送一個字符的開始3）數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，標準的值是5、7 和8 位4）停止位：標志著傳送一個字符的結(jié)束，用邏輯“1”電平表示，典型的值為1，1.5 和2 位（1.5位是時間上的寬度，代表一個bit 的1.5 倍。例如你的波特率是1000bps，那么一個bit的寬度就是1ms，一個停止位是1ms，而1.5 個停止位就是1.5ms 了）5）奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式a）奇校驗：人為的往信號中添加一個校驗位來確保所發(fā)送的信號中“1”的數(shù)目為奇數(shù)個，如：0110，0101 10100，

11、0000 0b）偶校驗：人為的往信號中添加一個校驗位來確保所發(fā)送的信號中“1”的數(shù)目為偶數(shù)個，如：0100，0101 10100，0001 04.串口數(shù)據(jù)傳輸時序圖示（空閑位表示線路處于空閑狀態(tài)，此時線路上為邏輯“1”電平?？臻e位可以沒有，此時異步傳送的效率為最高）5.串口的擴展應(yīng)用RS-232C 是個人計算機上的通訊接口之一， 是由電子工業(yè)協(xié)會(ElectronicIndustries Association，EIA) 所制定的異步傳輸標準接口。通常 RS-232 接口以9 個引腳 (DB-9) 或是25 個引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組RS-232 接口，分別稱

12、為 COM1 和 COM2常用的RS-232 引腳只有9 根，它們是：1）聯(lián)絡(luò)控制信號線：a）DSR (DCE)數(shù)據(jù)發(fā)送準備好，Data Set Readyb）DTR 數(shù)據(jù)終端（DTE）準備好，Data Terminal Readyc）RTS DTE 請求DCE 發(fā)送（Request To Send）d）CTS DCE 允許DTE 發(fā)送（Clear To Send），該信號是對RTS 信號的回答。e）DCD 數(shù)據(jù)載波檢測（Data Carrier Detection），當本地DCE 設(shè)備（Modem）收到對方的DCE 設(shè)備送來的載波信號時，使DCD 有效，通知DTE 準備接收，并且由DCE 將

13、接收到的載波信號解調(diào)為數(shù)字信號， 經(jīng)RXD 線送給DTEf）RI 振鈴信號（Ringing），當DCE 收到對方的DCE 設(shè)備送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效，通知DTE 已被呼叫2）2 個數(shù)據(jù)信號：a）發(fā)送TXDb）接收RXD3）1 個信號地線：GND實際應(yīng)用圖示6. 串口在手機上的常見應(yīng)用通常只使用TXD,RXD,GND三根信號，用于藍牙模塊，程序調(diào)試信息讀取等等四、 USB簡介1. 什么是USB？USB 是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，是應(yīng)用在PC 領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB 接口支持設(shè)備的即插即

14、用和熱插拔功能。USB 是在1994 年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft 等多家公司聯(lián)合提出的2. 普及USB的目的隨著計算機硬件飛速發(fā)展，外圍設(shè)備日益增多，鍵盤、鼠標、調(diào)制解調(diào)器、打印機、掃描儀早已為人所共知，數(shù)碼相機、MP3 隨身聽接踵而至，這么多的設(shè)備，如何接入個人計算機？USB 就是基于這個目的產(chǎn)生的。USB 是一個使計算機周邊設(shè)備連接標準化、單一化的接口3. USB 的拓樸結(jié)構(gòu)1） USB 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中每個USB 的系統(tǒng)有且只有一個host 它負責(zé)管理整個USB 系統(tǒng)，包括USB Device 的連接與刪除、與USB Device 的通信、總路線的控制等等2） Host

15、端有一個Root Hub，可提供一個或多個USB 下行端口，每個端口可以連接一個USB Hub 或一個USB Device3） USB Hub 是用于USB 端口擴展的，即USB Hub 可以將一個USB 端口擴展為多個端口。上圖中的每個Func(Function)就是一個USB Device， 如USB 鍵盤、USB 鼠標、USB MODEM、USB 硬盤等等4） Compound Device 是指帶一個Hub 和一個或多個不可刪除的USB Device 的復(fù)合設(shè)備5） 一個USB 系統(tǒng)可連接多達127 個Function4. USB 的設(shè)備類型(device class)雖然USB 設(shè)備

16、都會表現(xiàn)USB 的一些基本的特征，但是USB 的設(shè)備還是可以分成多個不同類型。同類型的設(shè)備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議從而使設(shè)備的驅(qū)動程序的書寫變得簡單一些。下表中就給出一些基本的USB 的設(shè)備類型分類5. USB 的電氣特性USB 連接器包含四條線：2 條用于電源供電(VBUS 和GND)，2 條用于USB 數(shù)據(jù)傳輸(D+和D-)。VBUS 提供5V 電源，電流可達500mA。D+和D-為雙向信號線，信號傳輸速率為12Mbps (每位83ns)。D+和D-信號電平為3.3V6.USB的特點1）USB 為所有的USB 外設(shè)提供了單一的易于使用的標準的連接類型。這樣一來就簡化了USB 外

17、設(shè)的設(shè)計，實現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口2）整個的USB 的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷節(jié)省了系統(tǒng)資源3）USB 支持熱插拔(hot plug)和PNP(Plug-and-Play)，也就是說在不關(guān)閉PC 的情況下可以安全的插上和斷開USB 設(shè)備4）USB 在設(shè)備供電方面提供了靈活性。直接連接到Hub ，或者是連接到Host 的設(shè)備可以通過USB，也可以通過電池或者其它的電力設(shè)備來供電，或使用兩種供電方式的組合并且支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式5）USB 提供全速12Mbps 的速率和低速1.5Mbps 的速率來適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)，USB2.0 還支持480Mbps 的高速傳輸速率6）為了適應(yīng)各種不

18、同類型外圍設(shè)備的要求，USB 提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸，Bulk 數(shù)據(jù)傳輸，中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸，同步數(shù)據(jù)傳輸可為音頻和視頻等實時設(shè)備的實時數(shù)據(jù)傳輸提供固定帶寬7）USB 的端口具有很靈活的擴展性，一個USB 端口串接上一個USB Hub 就可以擴展為多個USB 端口7.USB的傳輸方式USB 有四種的傳輸方式： 1）控制(Control)傳輸方式:控制傳輸是雙向傳輸數(shù)據(jù)，主要進行查詢配置和給USB 設(shè)備發(fā)送通用的命令。控制傳輸方式可以包括8,16,32 和64 字節(jié)的數(shù)據(jù)，這依賴于設(shè)備和傳輸速度?？刂苽鬏?shù)湫偷赜迷谥饔嬎銠C和USB 外設(shè)端點之間的傳輸2）同步(isochronous)傳輸方式:同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間，它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時應(yīng)用中，例如執(zhí)行即時通話的網(wǎng)絡(luò)電話，應(yīng)用