Kuidas UART, SPI ja I2C jadaside töötavad ja miks me neid ikkagi kasutame

Olgu need siis arvuti välisseadmed, nutiseadmed, asjade interneti (IoT) seadmed või elektroonikaseadmed mõõteriistad, kasutavad nad kõik jadasideprotokolle erinevate elektrooniliste komponentide ühendamiseks koos.

Need komponendid koosnevad tavaliselt mikrokontrollerist ja alammoodulitest, nagu sõrmejäljeandur, ESP8266 (Wi-Fi moodul), servodest ja jadakuvaritest.

Need seadmed kasutavad erinevat tüüpi sideprotokolle. Allpool saate teada mõnede kõige populaarsemate jadasideprotokollide, nende toimimise, eeliste ja nende kasutamise põhjuste kohta.

Mis on jadasuhtlus?

Jadasideprotokollid on siin olnud alates morsekoodi leiutamisest 1838. aastal. Tänapäeval kasutavad kaasaegsed jadakommunikatsiooni protokollid samu põhimõtteid. Signaalid genereeritakse ja edastatakse ühel juhtmel kahe juhtme korduva lühistamise teel. See lühike toimib nagu lüliti; see lülitub sisse (kõrge) ja välja (madal), andes binaarseid signaale. Signaali edastamine ja vastuvõtmine sõltub kasutatava jadasideprotokolli tüübist.

Transistori leiutamise ja sellele järgnenud uuendustega muutsid nii insenerid kui ka meisterdajad töötlemisüksused ja mälu väiksemaks, kiiremaks ja energiasäästlikumaks. Need muudatused nõudsid, et siini sideprotokollid oleksid sama tehnoloogiliselt arenenud kui ühendatavad komponendid. Seega leiutati jadaprotokollid nagu UART, I2C ja SPI. Kuigi need jadaprotokollid on mitu aastakümmet vanad, eelistatakse neid endiselt mikrokontrollerite ja metallist programmeerimise jaoks.

UART (universaalne asünkroonne vastuvõtja-saatja)

UART-protokoll on üks vanimaid, kuid kõige usaldusväärsemaid jadakommunikatsiooniprotokolle, mida me tänapäevalgi kasutame. See protokoll kasutab mõlema komponendi suhtlemiseks kahte juhet, mida tuntakse kui Tx (edastus) ja Rx (vastuvõtt).

Andmete edastamiseks peavad nii saatja kui ka vastuvõtja nõustuma viie levinud konfiguratsiooniga, need on:

• Baadi kiirus: Edastuskiirus, mis näitab, kui kiiresti andmeid edastatakse.
• Andmete pikkus: Kokkulepitud bittide arv, mille vastuvõtja oma registritesse salvestab.
• Algusbitt: Madal signaal, mis annab vastuvõtjale teada, millal andmeid hakatakse edastama.
• Peatusbitt: Kõrge signaal, mis annab vastuvõtjale teada, millal viimane bitt (kõige olulisem bitt) on saadetud.
• Pariteedi bitt: Kõrge või madal signaal, mida kasutatakse saadetud andmete õigete või rikutud andmete kontrollimiseks.

Kuna UART on asünkroonne protokoll, pole sellel oma kella, mis reguleeriks andmeedastuskiirust. Alternatiivina kasutab see biti edastamise ajal ajastamiseks edastuskiirust. UART-i jaoks kasutatav tavaline boodikiirus on 9600 boodi, mis tähendab edastuskiirust 9600 bitti sekundis.

Kui teeme matemaatika ja jagame ühe biti 9600 boodiga, saame arvutada, kui kiiresti üks bitt andmeid vastuvõtjasse edastatakse.

1/9600 =104 mikrosekundit

See tähendab, et meie UART-seadmed hakkavad loendama 104 mikrosekundit, et teada saada, millal järgmine bitt edastab.

Kui UART-seadmed on ühendatud, tõstetakse vaikesignaal alati kõrgele. Kui vastuvõtja tuvastab madala sagedusega signaali, hakkab vastuvõtja loendama 104 mikrosekundit pluss veel 52 mikrosekundit, enne kui ta hakkab salvestama bitte oma registritesse (mällu).

Kuna juba oli kokku lepitud, et kaheksa bitti on andmepikkus, hakkab ta pärast kaheksa bitti andmete salvestamist paaris- või paarisandmete paariskontrolli kontrollima. Pärast paarsuskontrolli tõstab stoppbitt kõrge signaali, et teavitada seadmeid, et kogu kaheksa bitti andmeid on edukalt vastuvõtjasse edastatud.

Kuna UART on kõige minimalistlikum jadaprotokoll, mis kasutab ainult kahte juhet, kasutatakse seda tänapäeval tavaliselt kiipkaartides, SIM-kaartides ja autodes.

Seotud: Mis on SIM-kaart? Asjad, mida pead teadma

SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI on veel üks populaarne jadaprotokoll, mida kasutatakse kiiremaks andmeedastuskiiruseks umbes 20 Mbps. See kasutab kokku nelja juhtmest, nimelt SCK (Serial Clock Line), MISO (Master Out Slave In), MOSI (Master In Slave Out) ja SS/CS (Chip Select). Erinevalt UART-st kasutab SPI ülem-alluv-vormingut mitme alamseadme juhtimiseks ainult ühe ülemseadmega.

MISO ja MOSI toimivad nagu UART-i Tx ja Rx, mida kasutatakse andmete edastamiseks ja vastuvõtmiseks. Kiibi valimist kasutatakse selleks, et valida, millise alluvaga ülem soovib suhelda.

Kuna SPI on sünkroonprotokoll, kasutab see ülemseadme sisseehitatud kella tagamaks, et nii ülem- kui ka alamseadmed töötavad samal sagedusel. See tähendab, et kaks seadet ei pea enam andmeedastuskiiruse osas läbirääkimisi pidama.

Protokoll algab sellega, et ülem valib alamseadme, alandades oma signaali konkreetsele alamseadmega ühendatud SS/CK-le. Kui alamseade saab madala signaali, hakkab see kuulama nii SCK-d kui ka MOSI-d. Seejärel saadab juht enne andmeid sisaldavate bittide saatmist algusbiti.

Nii MOSI kui ka MISO on täisdupleksed, mis tähendab, et nad saavad andmeid samaaegselt edastada ja vastu võtta.

Tänu oma võimele ühenduda mitme alamseadmega, täisdupleksside ja väiksema energiatarbimisega kui teistel sünkroonprotokolle nagu I2C, SPI kasutatakse mäluseadmetes, digitaalsetes mälukaartides, ADC-DAC muundurites ja kristallides mälu kuvab.

I2C (integreeritud vooluahel)

I2C on veel üks sünkroonne jadaprotokoll, nagu SPI, kuid sellel on selle ees mitmeid eeliseid. Nende hulka kuulub võimalus omada mitut ülemat ja alamseadet, lihtne adresseerimine (ei ole vaja Chipi Valige), mis töötab erinevate pingetega ja kasutab ainult kahte juhtmest, mis on ühendatud kahe tõmbega takistid.

I2C-d kasutatakse sageli paljudes asjade Interneti-seadmetes, tööstusseadmetes ja olmeelektroonikas.

I2C-protokolli kaks kontakti on SDA (Serial Data Line), mis edastab ja võtab vastu andmeid, ja SCL (Serial Clock Line) viik, mis toimib kellana.

1. Protokoll algab sellega, et ülem saadab oma SDA viigust algusbiti (madala), millele järgneb seitsmebitine aadress, mis valib alamseadme, ja üks bitti lugemise või kirjutamise valimiseks.
2. Pärast algusbiti ja aadressi saamist saadab alamseade ülemseadmele kinnitusbiti ja hakkab kuulama SCL-i ja SDA-d sissetulevate edastuste jaoks.
3. Kui ülemseade selle kätte saab, teab ta, et ühendus on loodud õige alamseadmega. Ülemseade valib nüüd alamseadmest, millisele konkreetsele registrile (mälule) juurde pääseda. See teeb seda, saates veel kaheksa bitti, mis täpsustavad, millist registrit kasutatakse.
4. Aadressi saamisel valmistab alamseade nüüd valikuregistri ette enne uue kinnituse saatmist ülemale.
5. Olles valinud, millist konkreetset alluvat ja millist selle registrit kasutada, saadab ülem lõpuks andmebiti alamseadmele.
6. Pärast andmete saatmist saadetakse ülemseadmele viimane kinnitusbitt, enne kui juht lõpetab stoppbitiga (kõrge).

Seotud: Parimad Arduino IoT projektid

Miks jadaside on siin, et jääda

Paralleelsete ja paljude traadita protokollide leviku tõttu pole jadaside populaarsus kunagi langenud. Tavaliselt kasutavad jadaprotokollid andmete edastamiseks ja vastuvõtmiseks ainult kahte kuni nelja juhtmest, mis on elektroonika jaoks oluline sideviis, millel on vaid mõned pordid.

Teine põhjus on selle lihtsus, mis tähendab usaldusväärsust. Korraga andmeid saadavad vaid üksikud juhtmestikud, mistõttu on seriaalid tõestanud oma usaldusväärsust kõigi andmepakettide saatmisel ilma kadude või kahjustusteta. Isegi kõrgetel sagedustel ja pikema ulatusega side korral ületavad jadaprotokollid endiselt paljusid tänapäevaseid paralleelseid sideprotokolle.

Kuigi paljud võivad arvata, et jadakommunikatsioonil, nagu UART, SPI ja I2C, on puudused Kuna need on vanad ja aegunud, on need tõestanud oma usaldusväärsust mitmel ajal aastakümneid. Nii vanad protokollid ilma tegeliku asendamiseta viitavad ainult sellele, et need on tegelikult hädavajalikud ja neid kasutatakse elektroonikas ka lähitulevikus.

Raspberry Pi, Pico, Arduino ja muud üheplaadiga arvutid ja mikrokontrollerid

Kas olete segaduses SBC-de (nt Raspberry Pi) ja mikrokontrollerite (nt Arduino ja Raspberry Pi Pico) vahel? Siin on, mida pead teadma.

Loe edasi

Autori kohta