SPI, I2C, UART: протоколы связи и их применение

1. Интерфейс UART

Что такое UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) — последовательный протокол для связи хоста с периферией. Обеспечивает последовательную передачу, асинхронную и двунаправленную. Две линии: Tx (передача) и Rx (прием). Обычно Tx — цифровой пин 0, Rx — пин 1. Синхронизирует управление компьютером и внешними последовательными устройствами.

Как работает

Три режима: Simplex (однонаправленно), Half Duplex (по очереди в обе стороны), Full Duplex (одновременно в обе стороны).

Принцип передачи:

1. Передающий UART преобразует параллельные данные мастера в последовательные для приемного UART. Приемный — обратно в параллельные для устройства-приемника.
2. Асинхронность: нет тактового сигнала. UART генерирует старт/стоп биты для обозначения начала/конца сообщения.
3. Оба UART должны работать на одном Baud rate (скорости). Допуск <10%, иначе данные бесполезны.

Протокол работы UART

Передача и прием данных

1. Передающий UART получает данные от шины данных (CPU)
2. Добавляет 3 бита: старт, паритет, стоп → пакет данных → на пин TX
3. Передача прекращается при истощении данных

Управление прерываниями

Прерывания для автоотправки буфера. Сценарии: FIFO Overflow, Line Break, Frame Error, Parity Error; прием, передача, таймаут приема.

Операция FIFO

Stellaris UART: два 16-байтных FIFO (прием/передача). Настраиваемая глубина (1/8, 1/4, 1/2…) для разных прерываний.

Передающий FIFO: ввод данных до заполнения → стоп ввода (иначе потеря) → побайтовая отправка до опустошения → новый слот.

Приемный FIFO: автосохранение/стирание → всегда место. Трансиверный FIFO решает неэффективность CPU и частые прерывания UART. Нет потерь данных.

Loopback

Внутренний loopback для отладки: RX получает отправленные данные.

Последовательный ИК-протокол (SIR)

IrDA SIR как энкодер/декодер: перевод полудуплексного SIR в асинхронный UART поток. Декодированный вход и цифровой выход в UART.

Преимущества UART

1. Простой, хорошо документирован, легко использовать
2. Не требует линии тактового сигнала
3. Бит паритета для проверки ошибок

Недостатки UART

1. Размер кадра ≤9 бит, низкая скорость
2. Не поддерживает много мастеров/слейвов
3. Обязательный baud rate в пределах 10%
4. Низкая скорость межустройственной передачи

Примеры UART в микроконтроллерах

• UART Seeeduino V4.2
• USB to UART 5V
• Base Shield V2
• USB CP2102 Serial Converter

2. Интерфейс I2C

Что такое I2C

Inter-Integrated Circuit (I2C) похож на UART, но для датчиков и модулей. Двунаправленная двухпроводная синхронная шина. Подключает множество устройств без компромисса пути — общая шина и адресация. Платеж: ниже скорость vs SPI. Скорость зависит от шумов, качества проводов, data rate. Подключение низкоскоростных устройств: EEPROM, ADC, микроконтроллеры.

Как работает

Две линии: SDA (данные) и SCL (такт). SCL синхронизирует передачу, SDA — данные. Мастер инициирует передачу, генерирует такт, открывает ведомое устройство. Адресуемое устройство — slave. Мастер и слейв не имеют постоянного data rate — зависит от направления передачи. Мастер уведомляет слейва перед передачей и приемом. Pull-up резистор на питание I2C обязателен.

Протокол I2C

Метод передачи

1. Мастер посылает старт: SDA высокий→низкий, затем SCL высокий→низкий
2. Мастер шлет 7/10-бит адрес + бит R/W каждому слейву
3. Слейвы сравнивают адрес. Совпал → ACK (SDA низкий). Не совпал → SDA высокий
4. Мастер шлет/принимает фрейм данных. После завершения приемник возвращает ACK
5. Мастер: SCL высокий, затем SDA высокий — конец связи

Синхронизация такта

Каждый мастер генерирует свой такт на SCL. Данные валидны только во время высокого уровня такта.

Режимы передачи

Fast Mode

400 кбит/с. Подавление глитчей, slope control на выходе.

High-Speed Mode

3,4 Мбит/с. Быстрее Fast Mode.

Преимущества I2C

1. Мало пинов/сигналов даже при множестве устройств
2. Гибкость: multi-master, multi-slave
3. Простота: 2 двунаправленных провода для многих устройств
4. Адаптивность, поддержка множества мастеров

Недостатки I2C

1. Низкая скорость, нужны pull-up резисторы (SPI — push-pull). Open-drain ограничивает скорость
2. Резисторы занимают место на PCB
3. Сложно при множестве устройств

Примеры I2C в микроконтроллерах

• Raspberry Pi 4-канальный 16-битный ADC
• I2C Hub (6 Port) Grove
• I2C Driver/Adapter
• I2C Arduino

3. Интерфейс SPI

Что такое SPI

Serial Peripheral Interface (SPI) — для микроконтроллеров. Full duplex — одновременная передача/прием. Быстрее I2C, мин. 8 бит за такт. Простой протокол → высокие скорости. Важен для дисплеев, SD-карт, термометров (внезапные изменения инфо).

Как работает

Два способа:

• Chip Select (CS) — у каждого устройства свой CS
• Daisy chaining (цепочка)

Устройств сколько угодно, но лимит — доступные hardware CS линии. При point-to-point адресация не нужна.

Протокол SPI

4 линии:

1. MOSI (Master Out Slave In)
2. MISO (Master In Slave Out)
3. SCLK (такт)
4. NSS (Slave Select)

Multi-slave: у каждого слейва свой NSS → усложняет железо vs I2C. Два сдвиговых регистра → синхронная передача от мастера (CPU) к периферии.

Преимущества SPI

1. Простота: нет сложной адресации слейвов как в I2C
2. Самый быстрый из последовательных интерфейсов (быстрее UART, I2C)
3. Нет старт/стоп бит — непрерывная передача
4. Отдельные MISO/MOSI — одновременный прием/передача

Недостатки SPI

1. Много занятых пинов — лимит устройств
2. Нет flow control, нет подтверждения приема/передачи (в I2C есть ACK)
3. Нужно 4 линии (UART — 2), нет проверки ошибок (нет паритета)
4. Только один мастер

Примеры SPI в микроконтроллерах

• SPI Seeeduino V4.2
• SPI Driver/Adapter

Сравнение UART, I2C, SPI

Таблица сравнения по скорости, пинам, режимам, сложности, применению.

Какой протокол «лучший»?

Нет superiores. Выбор под проект: SPI — для скорости. I2C — для множества устройств без сложной схемы.

Заключение

Разобранны ключевые аспекты UART, I2C, SPI: интерфейсы, скорости, плюсы/минусы. Готовы ответить на вопросы. Обращайтесь — поможем сразу.