Аппаратные интерфейсы: SPI и I2C

Они заранее договариваются о скорости передачи (Baud rate – например, 9600 бит/с). Передатчик шлет специальный сигнал “внимание, начинаю” (стартовый бит).

Когда приемник его читает, то он запускает свой внутренний точный секундомер и начинает считывать линию через равные промежутки времени. В конце ставится стоповый бит (“я закончил”).

В общей шине (например, RS-485) все слышат всех. Это как рация на одном канале.

Когда передатчик отправляет пакет данных:

Все устройства на шине ловят старт-бит и начинают принимать первый байт (или несколько байтов). Обычно в начале пакета идет байт адреса.

Микроконтроллер каждого приемника аппаратно считывает этот байт и передает его процессору. Если адрес не совпадает, то дается команда игнорировать всё, что будет сыпаться дальше, пока пакет не закончится (пауза или стоповый символ).

Инженерный фокус (9-битный режим UART):

Чтобы ресурсы процессоров устройств на шине не расходовались каждый раз, когда кто-то передает информацию по шине, была придумана аппаратная фильтрацию.

Передают не 8 бит, а 9. Девятый бит – это флаг:

• 1 – значит сейчас летит адрес;
• 0 – значит летят данные.

Железо (UART) внутри микроконтроллера настраивается так: оно вообще не тревожит процессор, пока не увидит байт с флагом 1 (адрес). Как только пришел адрес, UART будит процессор: “Пришел адрес, проверь, наш?”.

Если не наш, процессор не трогает железо, и оно само пропускает все байты данных (где флаг 0), вообще не загружая главный процессор.

Подход А: Master-Slave

Это классика для RS-485 (например, Modbus). На шине настраивается только один Master. Все остальные 10, 20 или 100 устройств – Slave.

Правило одно: slave никогда не начинает говорить сам. Он молчит и слушает:

1. Мастер кидает в шину запрос устройству №3 и переходит в режим приема;
2. Устройства №1, №2, №4 и т.д. молчат;
3. Устройство №3 понимает, что обращаются к нему, и отвечает.
4. Мастер принимает ответ и делает запрос следующему устройству.

Тут никаких столкновений быть не может физически, потому что очередь жестко контролируется Master-ом (это называется polling).

Подход Б: Multi-Master

Это шина CAN (в автомобилях). Там нет Master. Любой датчик может начать передачу в любой момент.

Что если два датчика начали передавать одновременно?

В CAN-шине есть гениальный аппаратный фокус. При передаче битов устройства “слушают” саму шину. Если устройство пытается передать логическую 1, а на шине видит логический 0 (потому что кто-то другой параллельно передает 0, и ноль в CAN “пересиливает” единицу), оно понимает, что кто-то передает сообщение с более высоким приоритетом, и тут же замолкает на полуслове.

Секрет в том, что пакет данных в CAN всегда начинается с идентификатора сообщения (ID). У каждого типа сообщения в автомобиле или станке этот ID уникален.

Может быть такое, что устройства какое-то время будут передавать одинаковые данные, но рано или поздно одно захочет передать 0, а второе – 1. В итоге устройство, пытавшееся передать 1, увидит на шине 0, поймет, что проиграло арбитраж, и мгновенно замолчит.

Благодаря этому механизму, идентификатор (ID) сообщения одновременно является его приоритетом. Чем больше нулей в начале ID, тем выше приоритет сообщения (потому что нули быстрее “забьют” чужие единицы при совпадении времени передачи).

Преимущества межблочной асинхронной связи:

• Помехозащищенность: для межблочной связи часто используют дифференциальные сигналы (как в RS-485 или CAN). Информация передается по двум проводам в противофазе. Если рядом ударит молния или включится мощный мотор, наводка ударит по обоим проводам одинаково, и приемник ее просто вычтет (проигнорирует).
• Экономия проводов: меньше жил в кабеле – дешевле и надежнее соединения.

Недостатки:

• Накладные расходы: чтобы передать 1 байт (8 бит) полезных данных, нужно добавить стартовый бит, стоповый бит, иногда бит четности. То есть мы передаем 10-11 бит ради 8.
• Требования к точности: у обоих устройств должны быть точные кварцевые резонаторы. Если часы передатчика и приемника будут расходиться даже на 3-5%, приемник считает линию в неправильный момент, и байт разрушится.

Плюсы внутриплатной синхронной связи:

1. Высокая скорость: не нужно тратить время на согласование, приемник просто читает данные под тактовый сигнал передатчика.
2. Простота железа: приемнику не нужно вычислять время и скорость передачи, он просто ждет изменения сигнала на линии Clock.

Недостатки:

1. Помехи: если пустить синхронную шину по кабелю длиннее 20-30 см, то из-за емкости и индуктивности кабеля сигналы начинают “заваливаться”, искажаться, и ловить помехи.
2. Clock Skew: сигнал Clock может прийти к приемнику чуть раньше или позже, чем сигнал данных (перекос тактовых импульсов). В итоге приемник прочитает мусор.

Преимущества такого подхода в том, что:

1. Процессор свободен: пока байт летит по проводам. Ядро может вычислять сложные алгоритмы, опрашивать другие датчики или вообще уйти в спячку для экономии батарейки.
2. Точность: аппаратный блок тактируется напрямую от кварцевого генератора, его тайминги не собьются. Можно гонять данные на мегабитных скоростях (SPI может и на 50 Мбит/с работать).
3. Можно подключить DMA (прямой доступ к памяти): апппаратный блок может сам брать массивы данных из памяти и отправлять их вообще без участия процессора.

Недостатки:

1. Ограниченное количество: в дешевом чипе может быть всего 1 UART и 1 SPI.
2. Жесткая привязка к пинам: аппаратный UART обычно выведен на строго определенные пины чипа.

Преимущества программной эмуляции:

1. Полная свобода: любая ножка контроллера может стать UART’ом, SPI или чем угодно.
2. Бесконечное количество: можно сделать хоть 10 программных UART’ов на одном чипе.
3. Нестандартные протоколы: если есть датчик со своим собственным протоколом, под который нет аппаратного блока. В таком случае поможет только bit-banging.

Недостатки:

1. Процессор парализован: пока процессор программно формирует биты и крутится в цикле ожидания delay, контроллер не может делать вообще ничего больше.
2. Проблема с прерываниями: если сработает прерывание от системного таймера или от нажатия кнопки, процессор бросает Bit-bang, и уходит обрабатывать кнопку (это занимает, скажем, 5 микросекунд) и возвращается. В итоге бит длился не 8, а 13 микросекунд. Тайминг разрушен, пакет потерян.
3. Низкая скорость: программная эмуляция не потянет мегабитные скорости.

В отличие от UART или CAN, в SPI нет программных адресов. Железо простое и быстрое.

Как тогда Master понимает, с кем говорит? Через провода CS (Chip Select).

Линии SCK, MOSI и MISO – общие для всех. Они соединяются параллельно. А вот линия CS для каждого устройства нужна своя индивидуальная.

Хотим опросить датчик температуры? Master опускает CS1 в ноль. Датчик температуры подключает свой MISO к шине. Закончили обмен, Master поднимает CS1 в единицу. Датчик температуры отключается (переводит ножку MISO в Z-состояние – высокое сопротивление, как будто провод отрезали).

Хотим записать на SD-карту? Master опускает CS2. И так далее.

В SPI нет стандарта, определяющего, как именно выглядит такт часов. Производители датчиков вольны делать как хотят. Поэтому Master должен уметь подстраиваться.

CPOL (Clock Polarity): что делает линия Clock, когда шина спит? Она может висеть в нуле (CPOL=0), или висеть в единице (CPOL=1).

CPHA (Clock Phase): в какой момент читать данные? По первому изменению сигнала Clock (фронту) или по второму (спаду)? (CPHA=0 или 1).

Комбинируя их, получаем 4 режима SPI (Mode 0, 1, 2, 3).

Если микроконтроллер настроен на Mode 0, а дисплей ждет Mode 3 – они будут считывать данные со сдвигом в полтакта, и мы увидим на экране мусор.

Нужно открыть даташит на чип, посмотреть “SPI Mode Timing Diagram” и настроить контроллер под него. В 90% случаев это Mode 0.

В SPI нет встроенного в сам стандарт механизма, который отличал бы команды чтения и записи (как это сделано в I²C). Железо просто гоняет биты по кругу – крутить сдвиговый регистр.

Поэтому крупные производители придумали свой стандарт поверх SPI, чтобы не изобретать велосипед каждый раз:

В даташите любого сложного датчика (например, гироскопа) есть таблица – Register Map.

Датчик с точки зрения SPI – набор регистров. У каждого регистра есть свой адрес от 0x00 до 0x7F.

• В регистре 0x0F (WHO_AM_I) лежит заводской ID чипа.
• В регистрах 0x28 и 0x29 лежат данные об ускорении.
• В регистр 0x20 (CTRL_REG) нужно записать настройки, чтобы датчик включился.

Как датчик понимает: хотим ли мы прочитать регистр 0x20 или записать в него новые настройки?

Тут вступает в игру старший бит (7-й бит) байта адреса.

Адресов в датчике обычно не больше 128 (от 0x00 до 0x7F). Значит, самый старший (восьмой по счету) бит в байте адреса всегда свободен (равен нулю). Было решено использовать его как флаг чтение/запись.

В 90% микросхем логика такая:

• Старший бит = 1 – команда ЧТЕНИЯ (Read).
• Старший бит = 0 – команда ЗАПИСИ (Write).

В шестнадцатеричной системе старший бит равен 0x80 (в двоичном это 1000 0000).

Нужно ЗАПИСАТЬ в регистр 0x20?

• Отправляем адрес как есть: 0x20. Старший бит там нулевой. Датчик понимает, что это запись.

Нужно ПРОЧИТАТЬ из регистра 0x20?

• Устанавливаем старший бит в единицу. Берем адрес регистра и накладываем логическое ИЛИ с 0x80 (0x20 | 0x80 = 0xA0).
• Отправляем байт 0xA0. Датчик видит единицу на 7-м бите, отбрасывает её, понимает, что речь о регистре 0x20, и начинает выдавать его содержимое по линии MISO.

Резюме: накладываем маску 0x80 на адрес для чтения. Шлем адрес чистым для записи.

Преимущества SPI:

• Огромная скорость: работает на частотах в десятки мегагерц (до 50-100 МГц). Идеально подходит для передачи тяжелых данных, вроде отрисовки графики на TFT-дисплеях, работы с флэш-памятью и SD-картами.
• Полный дуплекс: благодаря двум раздельным проводам MOSI и MISO, Master и периферия могут отправлять и принимать данные абсолютно одновременно.
• Минимум накладных расходов: в самом протоколе нет никаких стартовых битов, битов адреса или подтверждений. Мы просто опускаем CS в ноль и сразу гоним 100% полезных данных.
• Нет подтягивающих резисторов: выходы микроконтроллера работают в режиме push-pull (жестко выдают и 0, и 1), поэтому фронты сигналов резкие, а внешняя обвязка на плате не нужна.

Недостатки:

• Расход пинов (проблема масштабирования): общих проводов три, но для каждого нового устройства на шине требуется своя отдельная линия CS (Chip Select). Для 10 датчиков придется занять 13 пинов микроконтроллера, а разводка платы усложнится.
• Работа вслепую (нет ACK): шина аппаратно не проверяет, дошли ли данные. Если датчик сгорел, завис или вообще не припаян, Master этого не заметит и просто прочитает с линии мусор.
• Строго один Master: архитектура SPI не предполагает наличие нескольких хозяев на шине (в отличие от I²C или CAN).
• Короткий провод: из-за высоких частот SPI категорически не переносит длинных проводов. Дальше 10-20 сантиметров по печатной плате сигнал начнет искажаться и излучать помехи.

В будущих статьях мы рассмотрим схемы подключения более подробно, а пока посмотрим на изображение pull-up варианта ниже:

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=Z1_Ag3dxH34

В покое на линии данных будет 1, то есть напряжение Vcc. Ключ, установленный между Data и GND и занимается “отправкой” данных.

Когда нужно передать бит – ключ закрывается, подключает линию к земле и VCC утекает в GND через pull-up резистор. На линии данных теперь 0.

Преимущества I²C:

• Экономия пинов: всего 2 ножки микроконтроллера, и мы можем повесить на них хоть 100 датчиков температуры, экранов, памяти и часов реального времени.
• Встроенная проверка доставки: благодаря биту ACK, твой код всегда точно знает, дошел байт до получателя или устройство зависло/отвалилось. SPI так не умеет.
• Мультимастер: на I²C шине могут жить несколько мастеров. Если они начнут говорить одновременно, сработает арбитраж (почти как в CAN-шине, про которую мы говорили). Тот, кто передаст 0 пока другой передает 1, заберет шину себе.

Недостатки:

• Скорость: в разы медленнее SPI. Стандартная скорость 100 кбит/с или 400 кбит/с (fast mode). Картинку на дисплей по ней передавать долго.
• Полудуплекс: в отличие от SPI, по одному проводу SDA нельзя одновременно читать и писать.
• Накладные расходы: чтобы прочитать 1 байт из датчика, нужно отправить много всего: старт, адрес датчика, адрес регистра внутри датчика, рестарт, снова адрес, и только потом прочитать данные.
• Зависимость от резисторов: если не впаять подтягивающие резисторы (pull-up) на плату, I²C просто не будет работать.

В SPI один мастер, и он единолично управляет тактом и линией CS. Он сам решает кто говорит и когда. Конфликтов на шине не может быть физически – поэтому push-pull здесь идеален: можно гнать сигнал как можно быстрее, ничто не мешает.

В I²C все устройства висят на одних и тех же двух проводах, и любое из них может начать говорить. Если два устройства одновременно выдадут разные уровни в push-pull режиме – короткое замыкание, всё сгорит. Open-drain – решение этой проблемы: никто не тянет линию вверх активно, победит тот кто тянет вниз, и ничего не сгорит.