電子器件之間的語言

劉興華　李加寧　李信

摘 要：電子元件及芯片種類的多樣化和集成化導(dǎo)致芯片之間需要頻繁的通信，芯片之間的通信也是電子信息科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的必然方向，而通信就必然會(huì)涉及協(xié)議，也就是通信的數(shù)據(jù)的格式，就像人與人之間溝通必須要使用同一種語言一樣，在多元化的今天必然會(huì)有幾大主流通信協(xié)議應(yīng)用在不同的場(chǎng)合，那么這幾大主流的通信協(xié)議都有什么呢？

關(guān)鍵詞：通信協(xié)議；芯片；總線

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，電子信息技術(shù)也飛速進(jìn)步，以往的功能單一，運(yùn)行卡頓的電子設(shè)備早已無法滿足人們對(duì)電子產(chǎn)品日益整漲的需求。而使用單一IC注定無法研發(fā)出功能復(fù)雜的電子產(chǎn)品，這使得大規(guī)模集成IC應(yīng)運(yùn)而生，而多片芯片之間必然會(huì)有數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行協(xié)同處理用戶的數(shù)據(jù)，而這就使得各種通訊協(xié)議產(chǎn)生了。

1 SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外設(shè)接口的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。SPI在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約日益寶貴的芯片的管腳，同時(shí)也為PCB的布局上節(jié)省空間，提供了方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，如今很多的芯片集成了這種通信協(xié)議。有的芯片提供了SPI片上外設(shè)，但有時(shí)這種外設(shè)不是很穩(wěn)定，有時(shí)也采用軟件模擬SPI的方式，即編程不斷改變引腳狀態(tài)來模擬SPI的時(shí)序達(dá)到通信的目的。

SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它采用主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，通常需要至少4根線，而有時(shí)3根也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（當(dāng)單向傳輸時(shí)）。四根線是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們分別是SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時(shí)鐘）、CS（片選）。其中，CS是控制芯片是否被選中的，也就是芯片的使能線。它允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。剩下的就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。數(shù)據(jù)的輸入輸出線負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，時(shí)鐘線則控制主從設(shè)備讀取或者發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)。

2 UART

通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分。通常是將數(shù)據(jù)由串行通信與并行通信間作傳輸轉(zhuǎn)換，作為并行輸入成為串行輸出的芯片，通常集成于其他通訊接口的連結(jié)上。

具體實(shí)物表現(xiàn)為獨(dú)立的模塊化芯片，或作為集成于微處理器中的外設(shè)。一般采用RS232協(xié)議，采用類似Maxim公司的MAX232之類的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)幅度變換芯片進(jìn)行搭配，作為連接外部設(shè)備的接口。

UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸，各位的意義如下：

起始位：顧名思義，一幀數(shù)據(jù)的開始。數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后，通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送。奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位來校驗(yàn)資料傳送的正確性。停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志，一般是一段時(shí)間的高電平。 由于數(shù)據(jù)是在數(shù)據(jù)線上定時(shí)傳輸?shù)模⑶颐恳粋€(gè)設(shè)都有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩設(shè)備間出現(xiàn)了不同步。因此停止位更多的作用是提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘使兩臺(tái)設(shè)備同步的。

3 I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及各種常用外圍設(shè)備，是微電子通信控制領(lǐng)域目前正在廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊的形式，具有接口連接線少，控制簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。I2C 協(xié)議通過串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線 （SCL）在連接到總線的器件間傳遞信息。每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別（微控制器——MCU、LCD 驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器或鍵盤接口等等常見外圍電路），而且每個(gè)外設(shè)都可以作為數(shù)據(jù)的發(fā)送者或者是數(shù)據(jù)的接收者（這由器件的功能決定）。例如常見的LCD 驅(qū)動(dòng)器只能作為接收器，而存儲(chǔ)器則既可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。除了數(shù)據(jù)發(fā)送器和數(shù)據(jù)接收器以外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)是指實(shí)現(xiàn)初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件。此時(shí)，任何被主機(jī)尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)。任何一個(gè)芯片都可以被認(rèn)為是主機(jī)或者從機(jī)。

4 CAN

CAN（Controller Area Network， CAN）是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)的，并成為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐的大多數(shù)國(guó)家，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為車載電子系統(tǒng)和工業(yè)嵌入式電子控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且衍生了以CAN總線協(xié)議為底層協(xié)議圣物專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。

目前CAN 的高性能和可靠性已被大多數(shù)電子工作者認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、工農(nóng)業(yè)設(shè)備等多個(gè)方面。CAN總線是當(dāng)今電子領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展最快的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為電子領(lǐng)域的局域網(wǎng)。

5 區(qū)別與聯(lián)系

當(dāng)然，除了上面說到的各種協(xié)議，還有類似于DS18B20采用的單總線通信的多種多樣的通信方式，各大通訊協(xié)議各有各的優(yōu)點(diǎn)，各有各的缺點(diǎn)。I2C線更少，比UART、SPI、CAN更為強(qiáng)大，但是技術(shù)上也更加麻煩些，因?yàn)镮2C需要有雙向IO的支持，而且需要使用上拉電阻，抗干擾能力較弱，一般用于同一板卡上芯片之間的通信，不方便用于遠(yuǎn)距離通信。SPI實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單一些，而UART需要固定的波特率，就是說兩位數(shù)據(jù)的間隔要相等，而SPI則無所謂，因?yàn)樗怯袝r(shí)鐘的協(xié)議。I2C的速度比SPI和低頻穩(wěn)定情況下的UART慢一點(diǎn)，協(xié)議要比SPI復(fù)雜一點(diǎn)，但是連線也比標(biāo)準(zhǔn)的SPI要少。

但無論哪種協(xié)議，既然在高速發(fā)展的今天得到了廣泛的使用，就說明必然有它得到大家認(rèn)可的原因，學(xué)習(xí)電子知識(shí)可以說電子元件之間的通信是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。在未來，一定還會(huì)有更多更加優(yōu)秀的協(xié)議誕生，讓芯片之間的通信越來越快，越來越穩(wěn)定，讓大家的電子產(chǎn)品更加完美。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃繼昌.電子元器件應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[2] 徐英慧.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

作者簡(jiǎn)介：劉興華（1994—），男，遼寧調(diào)兵山人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

李加寧（1996—），男，遼寧遼陽人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

李信（1996—），男，甘肅定西人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。