I2C SPI Uart三种协议方式.doc

Uart协议异步串口通信协议作为UART的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。 其中各位的意义如下： 起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。 资料位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。 波特率：是衡量资料传送速率的指针。表示每秒钟传送的二进制位数。例如资料传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位，则其传送的波特率为10120=1200位/秒=1200波特。 UART的作用 1 发送/接收逻辑 发送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行“并串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流，并且根据控制寄存器中已编程的配置，会面紧跟着数据位（注意：最低位 LSB 先输出）、奇偶校验位和停止位。 在检测到一个有效的起始脉冲后，接收逻辑对接收到的位流执行“串并”转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和线中止（line-break）错误进行检测，并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。 2 波特率的产生 波特率除数（baud-rate divisor）是一个22 位数，它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器，在足够高的系统时钟速率下，UART 可以产生所有标准的波特率，而误差很小。 3 数据收发 发送时，数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据（如果FIFO 未空），UART 的忙标志位BUSY 就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空，且已从移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙状态。BUSY 位的相关库函数是UARTBusy( ) 在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。 如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，在 Baud16 的每第 16 个周期对连续的数据位（即一个位周期之后）进行采样。如果奇偶校验模式使能，则还会检测奇偶校验位。 最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。 4 中断控制 出现以下情况时，可使UART 产生中断： FIFO 溢出错误 线中止错误（line-break，即Rx 信号一直为0 的状态，包括校验位和停止位在内） 奇偶校验错误 帧错误（停止位不为1） 接收超时（接收FIFO 已有数据但未满，而后续数据长时间不来） 发送 接收 由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数UARTIntStatus( )，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）。 5 FIFO 操作 FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。 发送FIFO的基本工作过程： 只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。这个等待并不会很久，以9600 的波特率为例，等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。 接收FIFO的基本工作过程： 当硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。 收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时，中断方式比轮询方式要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。 完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。 6 回环操作 UART 可以进入一个内部回环（Loopback）模式，用于诊断或调试。在回环模式下，从Tx 上发送的数据将被Rx 输入端接收。 7 串行红外协议 在某些 Stellaris 系列 ARM 芯片里，UART 还包含一个 IrDA 串行红外（SIR）编码器/ 解码器模块。IrDA SIR 模块的作用是在异步UART 数据流和半双工串行SIR 接口之间进行转换。片上不会执行任何模拟处理操作。SIR 模块的任务就是要给UART 提供一个数字编码输出和一个解码输入。UART 信号管脚可以和一个红外收发器连接以实现IrDA SIR 物理层连接。 如图所示，为UART 的IrDA SIR 模块基本应用电路。D1 为红外发射管，Q2 为红外接收管。 UART的基本结构及端口介绍 输出缓冲寄存器，它接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。 输出移位寄存器，它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为串行数据输出。 输入移位寄存器，它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。 输入缓冲寄存器，它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。 控制寄存器，它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。 状态寄存器。状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询通信的 SPI 概念SPI：高速同步串行口SPI：高速同步串行口。是一种标准的四线同步双向串行总线。 SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200. SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。 SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）。 （1）MOSI SPI 总线主机输出/ 从机输入（SPI Bus Master Output/Slave Input） （2）MISO SPI 总线主机输入/ 从机输出（SPI Bus Master Input/Slave Output) （3）SCLK 时钟信号，由主设备产生 （4）CS 从设备使能信号，由主设备控制（Chip select），有的IC此pin脚叫SS 其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。 要注意的是，SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。 在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。 接口的硬件连接示意图在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。 SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前,低位在后。如下图所示，在SCLK的下降沿上数 据改变，同时一位数据被存入移位寄存器。 性能特点AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO 是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。 SPI的片选可以扩充选择16个外设，这时PCS输出=NPCS，说NPCS03接4-16译码器，这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS03，输出用于16个外设的选择。 SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。I2C 总线的概念I2C 总线支持任何IC 生产过程(NMOS CMOS、双极性）。两线串行数据（SDA）和串行时钟 （SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别（无论是微控制器、LCD 驱动器、存储器或键盘接口），而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定）。很明显，LCD 驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了发送器和接收器外器件在执行数 据传输时也可以被看作是主机或从机（见表1）。主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号 的器件。此时，任何被寻址的器件都被认为是从机。 I2C 总线术语的定义I2C总线特征1、只要求两条总线线路：一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL； 2、每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器； 3、它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏； 4、串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s； 5、连接到相同总线的IC 数量只受到总线的最大电容400pF 限制。 I2C总线术语发送器：发送数据到总线的器件； 接收器：从总线接收数据的器件； 主机：初始化发送产生时钟信号和终止发送的器件； 从机：被主机寻址的器件； 多主机：同时有多于一个主机尝试控制总线但不破坏传输； 仲裁：是一个在有多个主机同时尝试控制总线但只允许其中一个控制总线并使传输不被破坏 的过程； 同步：两个或多个器件同步时钟信号的过程 。 I2C总线位传输由于连接到I2C 总线的器件有不同种类的工艺（CMOS、NMOS、PMOS、双极性），逻辑0（低）和逻辑1（高）的电平不是固定的，它由电源VCC的相关电平决定，每传输一个数据位就产生一个时钟脉冲。 数据的有效性在传输数据的时候，SDA线必须在时钟的高电平周期保持稳定，SDA的高或低电平状态只 I2C位传输数据有效性有在SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变 。 起始和停止条件SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件； SCL 线是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换，这个情况表示停止条件。 起始和停止条件一般由主机产生，总线在起始条件后被认为处于忙的状态 起始和停止条件，在停止条件的某段时间后总线被认为再次处于空闲状态。 如果产生重复起始条件而不产生停止条件，总线会一直处于忙的状态，此时的起始条件（S）和重复起始条件（Sr） 在功能上是一样的。 I2C总线数据传输字节格式发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位（MSB），如果从机要完成一些其他功能后（例如一个内部中断服务程序）才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平，迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL 后数据传输继续。 应答响应数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟脉冲期间发送器释放SDA 线（高）。 在响应的时钟脉冲期间，接收器必须将SDA 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。 通常被寻址的接收器在接收到的每个字节后，除了用CBUS 地址开头的数 I2C总线数据传输和应答据，必须产生一个响应。当从机不能响应从机地址时（例如它正在执行一些实时函数不能接收或发送），从机必须使数据线保持高电平，主机然后产生一个停止条件终止传输或者产生重复起始条件开始新的传输。 如果从机接收器响应了从机地址，但是在传输了一段时间后不能接收更多数据字节，主机必须再一次终止传输。这个情况用从机在第一个字节后没有产生响应来表示。从机使数据线保持高电平，主机产生一个停止或重复起始条件。 如果传输中有主机接收器，它必须通过在从机不产生时钟的最后一个字节不产生一个响应，向从机发送器通知数据结束。从机发送器必须释放数据线，允许主机产生一个停止或重复起始条件。 寻址方式7位寻址第一个字节的头7 位组成了从机地址，最低位（LSB）是第8 位，它决定了传输的 普通的和带重复开始条件的7位地址格式方向。第一个字节的最低位是“0”，表示主机会写信息到被选中的从机；“1”表示主机会向从机读信息，当发送了一个地址后，系统中的每个器件都在起始条件后将头7 位与它自己的地址比较，如果一样，器件会判定它被主机寻址，至于是从机接收器还是从机发送器，都由R/W 位决定的哦。 10位寻址10位寻址和7 位寻址兼容，而且可以结合使用。 10位寻址采用了保留的1111XXX 作为起始条件（S），或重复起始条件（Sr ）的后第一个字节的头7 位。 10 位寻址不会影响已有的7 位寻址，有7 位和10 位地址的器件可以连接 I2C总线10位地址格式到相同的I2C 总线。它们都能用于标准模式（F/S）和高速模式（Hs）系统。 保留地址位1111XXX 有8 个组合，但是只有4 个组合11110XX 用于10 位寻址，剩下的4个组合11111XX 保留给后续增强的I2C 总线。 10 位从机地址是由在起始条件（S） 或重复起始条件（Sr ）后的头两个字节组成。 第一个字节的头7 位是11110XX 的组合，其中最后两位（XX） 是10 位地址的两个最高位（MSB）。 第一个字节的第8 位是R/W 位，决定了传输的方向，第一个字节的最低位是“0”表示主机将写信息到选中的从机，“1 ”表示主机将向从机读信息。 如果R/W 位是“0 ”，则第二个字节是10 位从机地址剩下的8 位；如果R/W 位是“1” 则下一个字节是从机发送给主机的数据。 快速和高速模式快速模式快速模式器件可以在400kbit/s 下接收和发送。最小要求是：它们可以和400kbit/s 传输同步，可以延长SCL 信号的低电平周期来减慢传输。快速模式器件都向下兼容，可以和标准模式器件在0100kbit/s 的I2C 总线系统通讯。但是，由于标准模式器件不向上兼容，所以不能在快速模式I2C 总线系统中工作。快速模式I2C 总线规范与标准模式相比有以下额外的特征： 1、最大位速率增加到400kbit/s； 2、调整了串行数据（SDA） 和串行时钟（SCL ）信号的时序； 3、快速模式器件的输入有抑制毛刺的功能，SDA 和SCL输入有施密特触发器； 4、快速模式器件的输出缓冲器对SDA 和SCL 信号的下降沿有斜率控制功能； 5、如果快速模式器件的电源