嵌入式開(kāi)發(fā)中常用外設(shè)接口（UART、I2C、SPI）詳解

在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，UART、I2C、SPI等接口技術(shù)被廣泛使用，它們?yōu)槲⒖刂破髋c外部設(shè)備之間的通信提供了高效、可靠的途徑。本文將詳細(xì)介紹這三種常用的外設(shè)接口。

UART：通用異步收發(fā)傳輸器

UART，即通用異步收發(fā)傳輸器，是一種物理接口形式，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸。其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，這種基于異步形式的串行數(shù)據(jù)傳輸不需要使用時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端，而是依賴于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間預(yù)定義的配置。

UART接口實(shí)現(xiàn)串行通信僅需兩根線：一根TXD線用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一根RXD線則負(fù)責(zé)接收。為確保順暢通信，發(fā)送與接收設(shè)備的串行通信配置必須保持完全一致，這些配置包括波特率、單位字的位數(shù)、奇偶校驗(yàn)、起始位數(shù)與結(jié)束位、流量控制等。其中，波特率表示串口通信時(shí)的速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位(bit)數(shù)來(lái)表示，單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s(bps)。常見(jiàn)的波特率值有4800、9600、14400、38400、115200等。

I2C：二線制串行總線

I2C總線是一種同步、雙向、半雙工的兩線式串行接口總線，由串行時(shí)鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA組成。其中，SCL線負(fù)責(zé)產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖，SDA線負(fù)責(zé)在設(shè)備間傳輸串行數(shù)據(jù)。I2C總線最早由Philips半導(dǎo)體公司于20世紀(jì)80年代研發(fā)面市，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)單的方法。

I2C總線是共享的總線系統(tǒng)，支持多個(gè)I2C設(shè)備同時(shí)連接。連接在I2C總線上的設(shè)備既可以用作主設(shè)備，也可以用作從設(shè)備。主設(shè)備負(fù)責(zé)控制通信，包括數(shù)據(jù)的初始化傳輸和同步時(shí)鐘脈沖的產(chǎn)生;而從設(shè)備則處于被動(dòng)地位，等待主設(shè)備的命令并作出相應(yīng)響應(yīng)以接收數(shù)據(jù)。值得注意的是，主設(shè)備和從設(shè)備在I2C總線上都可以靈活地切換角色，但同步時(shí)鐘信號(hào)的生成始終由主設(shè)備獨(dú)立完成。

I2C總線以其線數(shù)較少的特點(diǎn)在技術(shù)上呈現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但使用也相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)樗枰p向IO的支持，并通過(guò)上拉電阻進(jìn)行通信，抗干擾能力相對(duì)較弱。因此，I2C通常用于同一板卡上的芯片間通信，而較少用于遠(yuǎn)距離通信。

SPI：串行外設(shè)接口

SPI總線是一種同步、雙向、全雙工的4線式串行接口總線，由Motorola公司提出。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，同時(shí)支持多個(gè)設(shè)備連接在同一總線上，通過(guò)片選信號(hào)來(lái)選擇與哪個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。

SPI總線共有4條信號(hào)線，分別是：主設(shè)備出、從設(shè)備入(MOSI);主設(shè)備入、從設(shè)備出(MISO);串行時(shí)鐘(SCLK);從設(shè)備選擇(SS)。其中，MOSI負(fù)責(zé)由主設(shè)備向從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，MISO負(fù)責(zé)由從設(shè)備向主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，SCLK負(fù)責(zé)傳輸時(shí)鐘信號(hào)以同步數(shù)據(jù)的交換，而SS則用于選擇特定的從設(shè)備，低電平表示有效選擇。

在SPI通信過(guò)程中，主設(shè)備負(fù)責(zé)生成時(shí)鐘信號(hào)并控制數(shù)據(jù)傳輸，從設(shè)備則根據(jù)主設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)的傳輸通常以字節(jié)或字為單位進(jìn)行，主設(shè)備在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備則在相應(yīng)的時(shí)鐘邊沿接收數(shù)據(jù)。同時(shí)，從設(shè)備也可以在另一個(gè)時(shí)鐘邊沿向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

相較于I2C，SPI的實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。此外，在速度方面，雖然I2C稍遜于SPI，但其連線數(shù)量卻比標(biāo)準(zhǔn)的SPI還要少。不過(guò)，SPI的總線長(zhǎng)度和傳輸速度等性能參數(shù)也因其廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景而備受關(guān)注。

總結(jié)

UART、I2C和SPI作為嵌入式開(kāi)發(fā)中常用的外設(shè)接口，各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。UART以其異步通信方式和簡(jiǎn)單的線路連接，在需要異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景中占據(jù)優(yōu)勢(shì);I2C以其較少的線路數(shù)量和總線仲裁功能，在芯片間通信中表現(xiàn)出色;而SPI則以其高速、全雙工和多設(shè)備支持的特點(diǎn)，在需要高速數(shù)據(jù)傳輸和多設(shè)備連接的場(chǎng)景中廣受歡迎。開(kāi)發(fā)者在選擇使用這些接口時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求和設(shè)備特性進(jìn)行綜合考慮。