眾多的通訊協(xié)議概念，其實(shí)可以分成4個(gè)大概念，也就是物理接口、電平標(biāo)準(zhǔn)、通訊協(xié)議、總線(xiàn)。
1. 物理接口
物理接口是設(shè)備間物理連接的硬件規(guī)范，包括連接器類(lèi)型(如USB、HDMI)、引腳排列、機(jī)械結(jié)構(gòu)等。一般常說(shuō)的就是指連接器類(lèi)型。
它能確保設(shè)備在物理層正確連接，提供信號(hào)傳輸?shù)奈锢硗ǖ馈?
比如USB Type-A、RJ45網(wǎng)口、HDMI接口。
2. 電平標(biāo)準(zhǔn)
電平標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定信號(hào)電壓范圍，用于區(qū)分邏輯狀態(tài)(如0和1)，確保發(fā)送端和接收端的電氣兼容性。
作用：定義信號(hào)的電氣特性，避免誤碼或硬件損壞。
如TTL(0V/5V)、RS-232(±3~15V)、LVDS(低電壓差分信號(hào))。
3. 通訊協(xié)議
通訊協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬕?guī)則，包括數(shù)據(jù)格式、時(shí)序、錯(cuò)誤校驗(yàn)、尋址等。確保數(shù)據(jù)按約定規(guī)則打包、傳輸和解析。例如UART(異步串行協(xié)議)、SPI(同步串行協(xié)議)、TCP/IP(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)。
4. 總線(xiàn)
總線(xiàn)是共享的通信通道，整合物理接口、電平標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，允許多設(shè)備通過(guò)同一線(xiàn)路通信。主要作用是提供完整的通信架構(gòu)，協(xié)調(diào)多設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。
物理接口和電平標(biāo)準(zhǔn)屬于底層硬件層(物理層)，定義如何連接及信號(hào)如何表示。
通訊協(xié)議屬于邏輯層、應(yīng)用層，規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則。
總線(xiàn)是綜合概念，整合前三者形成完整的通信系統(tǒng)。
整個(gè)協(xié)作流程就是：
設(shè)備通過(guò)物理接口連接，按電平標(biāo)準(zhǔn)傳輸信號(hào)。通訊協(xié)議確保數(shù)據(jù)被正確封裝、尋址和校驗(yàn)?？偩€(xiàn)管理共享通道，協(xié)調(diào)多設(shè)備通信(如仲裁機(jī)制、沖突避免)?？偩€(xiàn)的實(shí)現(xiàn)需依賴(lài)物理接口(連接方式)、電平標(biāo)準(zhǔn)(信號(hào)電氣特性)和通訊協(xié)議(數(shù)據(jù)規(guī)則)。
同一物理接口可能支持不同電平標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議(如RS-232與RS-485共用DB9接口，但電平及協(xié)議不同)。
同一協(xié)議可適配不同物理接口和電平(如Modbus可在RS-485或TCP/IP上運(yùn)行)。
眾多的通訊協(xié)議概念，其實(shí)可以分成4個(gè)大概念，也就是物理接口、電平標(biāo)準(zhǔn)、通訊協(xié)議、總線(xiàn)。
1. 物理接口
物理接口是設(shè)備間物理連接的硬件規(guī)范，包括連接器類(lèi)型(如USB、HDMI)、引腳排列、機(jī)械結(jié)構(gòu)等。一般常說(shuō)的就是指連接器類(lèi)型。
它能確保設(shè)備在物理層正確連接，提供信號(hào)傳輸?shù)奈锢硗ǖ馈?
比如USB Type-A、RJ45網(wǎng)口、HDMI接口。
2. 電平標(biāo)準(zhǔn)
電平標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定信號(hào)電壓范圍，用于區(qū)分邏輯狀態(tài)(如0和1)，確保發(fā)送端和接收端的電氣兼容性。
作用：定義信號(hào)的電氣特性，避免誤碼或硬件損壞。
如TTL(0V/5V)、RS-232(±3~15V)、LVDS(低電壓差分信號(hào))。
3. 通訊協(xié)議
通訊協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬕?guī)則，包括數(shù)據(jù)格式、時(shí)序、錯(cuò)誤校驗(yàn)、尋址等。確保數(shù)據(jù)按約定規(guī)則打包、傳輸和解析。例如UART(異步串行協(xié)議)、SPI(同步串行協(xié)議)、TCP/IP(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)。
4. 總線(xiàn)
總線(xiàn)是共享的通信通道，整合物理接口、電平標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，允許多設(shè)備通過(guò)同一線(xiàn)路通信。主要作用是提供完整的通信架構(gòu)，協(xié)調(diào)多設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。
1.1.板上通信接口角色
在嵌入式系統(tǒng)中，板上通信接口扮演著至關(guān)重要的角色，它們是集成電路與其他外圍設(shè)備進(jìn)行交互的關(guān)鍵通路或總線(xiàn)。這些接口負(fù)責(zé)在系統(tǒng)內(nèi)部傳遞數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，從而確保各個(gè)組件能夠協(xié)同工作。
1.2.常用通信接口
常用的板上通信接口包括I2C、SPI、UART以及1-Wire等。接下來(lái)，我們將詳細(xì)探討這些接口的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景。
2.I2C總線(xiàn)
2.1.總線(xiàn)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)
I2C總線(xiàn)，一種同步、雙向、半雙工的兩線(xiàn)式串行接口總線(xiàn)，由Philips半導(dǎo)體公司在20世紀(jì)80年代初研發(fā)并投入市場(chǎng)。其設(shè)計(jì)初衷是為微處理器/微控制器系統(tǒng)與電視機(jī)外圍芯片之間的連接提供簡(jiǎn)便的方法。該總線(xiàn)包含兩條線(xiàn)路：串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL和串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA。SCL線(xiàn)負(fù)責(zé)產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖，而SDA線(xiàn)則用于在設(shè)備間傳輸串行數(shù)據(jù)。
I2C總線(xiàn)是共享的，允許多個(gè)I2C設(shè)備連接至同一系統(tǒng)。在這些設(shè)備中，既可以充當(dāng)主設(shè)備來(lái)控制通信，也可以作為從設(shè)備來(lái)響應(yīng)主設(shè)備的命令。無(wú)論是主設(shè)備還是從設(shè)備，都既可以是發(fā)送方也可以是接收方，但同步時(shí)鐘信號(hào)的生成則專(zhuān)由主設(shè)備負(fù)責(zé)。此外，I2C總線(xiàn)還支持多個(gè)主設(shè)備的并存。
2.2.數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制
關(guān)于起始信號(hào)的具體定義：在SCL線(xiàn)保持高電平的同時(shí)，主機(jī)將SDA線(xiàn)拉至低電平，這標(biāo)志著數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始。而從機(jī)地址的發(fā)送與讀寫(xiě)控制位的設(shè)置則遵循一定規(guī)則：主機(jī)發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)包含從機(jī)的地址和讀寫(xiě)控制位。
數(shù)據(jù)傳輸：在從機(jī)地址發(fā)送完畢后，可能會(huì)跟隨一些特定指令，這取決于從機(jī)的實(shí)現(xiàn)。隨后，數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始，可以由主機(jī)或從機(jī)中的任一方發(fā)送。每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是8位，且字節(jié)數(shù)不受限制。
停止條件：停止條件是在SDA線(xiàn)保持低電平的同時(shí)，主機(jī)將SCL線(xiàn)拉高并維持這一高電平狀態(tài)，然后再將SDA線(xiàn)拉高，從而表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。
3.SPI總線(xiàn)
3.1.總線(xiàn)結(jié)構(gòu)與使用
SPI總線(xiàn)，最早由Motorola公司提出，是一種同步、雙向、全雙工的4線(xiàn)式串行接口總線(xiàn)。它由一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備構(gòu)成，其中特別需要注意的是，在任意時(shí)刻僅允許一個(gè)主設(shè)備處于激活狀態(tài)，這意味著系統(tǒng)中可以存在多個(gè)SPI主設(shè)備。SPI總線(xiàn)廣泛應(yīng)用于EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器以及數(shù)字信號(hào)解碼器等設(shè)備之間的通信。
從設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)由主設(shè)備通過(guò)SCLK提供，而MOSI和MISO則依據(jù)此脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
3.2.通信時(shí)序與模式
SPI總線(xiàn)配備了4條信號(hào)線(xiàn)，包括SCK(時(shí)鐘信號(hào))，MOSI(主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入)，MISO(主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出)和CS(片選信號(hào))。
主設(shè)備通過(guò)操控CS引腳來(lái)選擇從設(shè)備。在任何給定的時(shí)刻，只有一個(gè)SPI主設(shè)備的CS引腳處于激活狀態(tài)，與之相連的從設(shè)備此時(shí)可與主設(shè)備進(jìn)行通信。這種**“一主多從”結(jié)構(gòu)**在很大程度上提升了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和靈活性。
4.UART通信協(xié)議
UART，即通用異步收發(fā)傳輸器，作為一種異步串口通信協(xié)議，其工作原理是逐位傳輸數(shù)據(jù)。在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)中，它常被用作數(shù)據(jù)總線(xiàn)，因其支持高效的數(shù)據(jù)傳輸。異步數(shù)據(jù)傳輸中，UART的簡(jiǎn)單高效機(jī)制使其在許多嵌入式系統(tǒng)和微控制器中得到了廣泛的應(yīng)用。
5.1-Wire接口與并行接口
5.1.1-Wire接口特點(diǎn)
1-Wire接口，又稱(chēng)Dallas 1-Wire協(xié)議，是由Maxim Dallas半導(dǎo)體公司精心研發(fā)的一種異步半雙工通信協(xié)議。該接口能夠在信號(hào)線(xiàn)上同時(shí)傳輸能量。這樣的特性使得1-Wire接口不僅可以連接一個(gè)主設(shè)備，還能夠允許一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備與之相連。
5.2.并行接口結(jié)構(gòu)和使用
并行接口，常用于系統(tǒng)與外圍設(shè)備間的通信。這些外圍設(shè)備通過(guò)存儲(chǔ)器映射至系統(tǒng)主控端。只要嵌入式系統(tǒng)主控處理器/控制器配備并行總線(xiàn)，支持并行總線(xiàn)的設(shè)備便可直接與之相連。外圍設(shè)備經(jīng)存儲(chǔ)器映射至主控處理器，從而可訪問(wèn)特定地址范圍。
四種接口，每個(gè)都有合適的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)硬件端口的占用、對(duì)軟件的控制要求、通信效率也不相同。尤其前3種屬于常用協(xié)議，一般都支持硬件接口，廠家也一般提供hal庫(kù)，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)人員的要求逐漸降低。這也導(dǎo)致代碼應(yīng)用很溜，實(shí)際底層原理略微欠缺，一旦通信異常或者有特殊需求就無(wú)從下手。如使用GPIO模擬出UART，使用SPI實(shí)現(xiàn)AT功能。
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