学嵌入式,就是练武功。
01
裘千丈轻功水上漂之UART
射雕英雄传中的裘千丈说,UART就是我的轻功水上漂过河。
想从河上过(通信),提前布暗桩,行走时步伐按桩距固定(波特率提前确定),步幅太大或太小都会落水。
为了不被二弟裘千仞识破,可以安排侍卫在对岸监视通知,没风险才开始表演(流控)。为了保证踩点准确,隔一段距离定个特殊标记的粗木桩。
UART 通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通信双方接三根线,RX、TX和GND,TX用于发送数据,RX用于接受数据,双方收发交叉对接,支持全双工方式。
因为没有时钟控制,什么时机开始发数据,且保证对方正确接收?
如A发数据到B,平时空闲时A.TX 和 B.RX.保持1,当A.TX先发0作为起始位,告诉B请注意,我要发数据了。
然后就开始发数据,数据位可配置,通常是5位,6位,7位,8位,一帧数据发完后,A.TX给个高电平告诉B.RX我发完了一帧。
如果开启校验位,在发停止位之前发送个校验位,一般都不需要校验位了,短距离有线传输出错的概率非常小。如果还有数据,则重复前面的操作。
一般软件配置串口,有波特率,数据位、停止位、校验位、流控。分别表示传输速度,一帧数据的长度,以及发完告知停止,发完是否校验,是否进行发送控制。
看起来参数很多,针对个人经验,一般都是固定8位数据位,1位停止位、无校验、无流控,只是配置波特率。
UART没有时钟控制数据捕获时机,依靠通信前就定义波特率,双方按定义的频率读写数据位,正如裘千丈的水上漂,一旦暗桩安装固定,就得按固定的步长行走,否则就会出错落水。
UART在水上漂项目可以,但是传输效率有限,一般高到921600,如果再高可能出现误码,继续加高,就是高空飞行,最后裘千丈就是期望在高空也行走自如,想攀上黄蓉乘坐的大雕逃命,不慎坠落,死于飞行事故。
02
叫你一声你敢答应吗之I2C
作为太上老君看银炉的童子,银角大王最懂I2C,万千人中我叫你一声,你答应了就倒霉(从机地址正确才能通信)。
IIC(Inter Integrated Circuit)两根线,一条时钟线SCL和一条数据线SDA,所以是半双工通信,主从模式,支持一对多,一个银角大王可以对付一群猴子,每个猴子名字不同(从设备的I2C地址不同),点名叫到谁,谁就被紫金葫芦带走。
假设主机A给从机B发数据(A.SCL接B.SCL,A.SDA接B.SDA),根据应用,A可以同时接B,C,D。空闲时SDA和SCL上的电平都为高电平。
起始和停止起始条件S:当SCL高电平时,SDA由高电平向低电平转换;
停止条件P:当SCL高电平时,SDA由低电平向高电平转换。起始和停止条件一般由主机产生,总线在起始条件后处于busy的状态,在停止条件的某段时间后,总线才再次处于空闲状态。
空闲时SDA和SCL上的电平都为高电平。A先把SDA拉低,等SDA变为低电平后再把SCL拉低(以上两个动作构成了I2C的起始位),此时SDA就可以发送数据了。
与此同时,SCL发送一定周期的脉冲,SDA发送数据和SCL发送脉冲的要符合的关系是:SDA必须在SCL是高电平时保持有效,在SCL是低电平时发送下一位(SCL会在上升沿对SDA进行采样)。
传输与响应一次传8位数据,8位数据传输结束后A释放SDA,SCL再发一个脉冲(这是第九个脉冲),触发B将SDA置为低电平表示确认(该低电平称为ACK)。
最后SCL先变为高电平,SDA再变为高电平(以上两个动作称为结束标志),如果B没有将SDA置为0 ,则A停止发送下一帧数据.。
整体时序I2C总线上的每个设备都有唯一地址,数据包传输时先发送地址位,接着才是数据。一个地址字节由7个地址位(可以挂128个设备)和1个指示位组成(7位寻址模式),0表示写,1表示读。
一般芯片手册I2C地址都是7位地址,有些与某个引脚的电平相关,主机控制最后读写位。
实际项目一般都是采用I2C库,有的库要求传入的是8位的写的地址,有的是7位,由接口函数再区分读写补位。当然,最愚蠢的办法是从0到255定时循环读某个寄存器地址,读到正确值时的地址就是正确的从机地址。
一般情况下使用I2C库,除了配置从机地址,其他的起始、结束等时序等其实不太关注,只需要配置时钟频率,一般看从机最大支持多少,以及主机的系统时钟,太高会偶尔出现错误,再没有时间要求的情况下,时钟越低越稳定。
03
慕容复斗转星移之SPI
天龙八部的慕容复:
虽然我不如乔峰可以使出降龙十八掌,但是他对我出手,我也以彼之道还施彼身,对方输出时也会被反噬,互相伤害,他停止时钟我也无可奈何。
正如SPI,主机开启了时钟发数据,从机也在同时输出,时钟停,大家都收手。
SPI 串行外设接口(Serial Peripheral Interface)主从模式,一种高速的,全双工同步的通信总线。标准SPI是4条线。SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选,有些也称为SS)。
SDO/MOSI – 主设备数据输出,从设备数据输入 ,master output slave input;SDI/MISO – 主设备数据输入,从设备数据输出,master input slave output;SCLK – 时钟信号,由主设备产生;
CS/SS – 从设备使能信号,由主设备控制。当有多个从设备的时候,主设备通过片选引脚选择其中一个从设备进行通信。(I2C是通过软件协议实现多选一,SPI是通过硬件实现)。
当主机控制CS,开启时钟闸门,主从双方就可以开始放数据位或者取数据位进行交互了,但是在什么时机开始,就有标准了。根据外设工作要求,其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置。
CPOL:时钟极性选择,为0时SPI总线空闲为低电平,为1时SPI总线空闲为高电平 CPHA:时钟相位选择,为0时在SCK第一个跳变沿采样,为1时在SCK第二个跳变沿采样。
mode | CPOL | CPHA |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 1 |
2 | 1 | 0 |
3 | 1 | 1 |
这样就有四种模式。以模式1为例,空闲时为低,第一次时钟跳变采样,也就是上升沿读数采样,对着下降沿放数据。如果实在分不清,还有愚蠢的办法,四种模式全部尝试一次,就可知道正确模式。
SPI传输数据没有位数限制,只要定义收发高位在前还是低位在前,可以持续高速传输。
正如前面,若是乔峰收手,慕容复就没法使出降龙十八掌的效果,但是他可以当面骂乔峰是契丹狗,乔峰一怒之下就发功,慕容复就奸计得逞。
这契丹狗三字翻译为软件术语就是触发中断,从机发中断告知主机我有事来找我;主机定时查询也可实现,只是使用情况更少。
04
裘千尺的吐枣核绝技与1-wire
裘千丈的三妹裘千尺被囚地下,她以口喷射枣核钉打在枣树,树的摇晃就会掉下枣子充饥。
这枣核钉是单向操作,用力过猛,枣核透过枣树,用力太轻或者射偏了,枣树没有反应,这样枣核用完了就悲剧了。
可见这绝技,看起来简便,实则背后隐藏了精确控制,对时机、位置控制要完美,如1-wire通信,单线控制,时钟精准。
1-wire总线接口简单,一根线就可以,一般内部开漏输出,外部硬件上拉。
1-wire使用一条线来传送的四种信令组成,包括复位脉冲和在线应答脉冲的复位序列、写 0 时隙、写 1 时隙、读时隙。
除在线应答脉冲以外,所有其它信号都由总线主机发出,并且发送的所有数据和命令都是字节的低位在前。主机与从机的数据通信是通过时隙完成的,在每个时隙只能传送一位数据。
通过写时隙可把数据从主机传送给从机,通过读时隙可把数据由从器件传送给主机,将完成一位传输的时间称为一个时隙。
一般操作流程参考外设芯片手册,主要是不同平台的延时处理,需要软件实现1us延时的接口,否则数据通信异常。
05
秘籍功法
四种接口,每个都有合适的应用场景,对硬件端口的占用、对软件的控制要求、通信效率也不相同。尤其前3种属于常用协议,一般都支持硬件接口,厂家也一般提供hal库,对软件开发人员的要求逐渐降低。
这也导致代码应用很溜,实际底层原理略微欠缺,一旦通信异常或者有特殊需求就无从下手。如使用GPIO模拟出UART,使用SPI实现AT功能。
武林人士一般都追求失传的武林秘籍,正如软件开发人员,有问题总是寄希望与其他人的经验总结,或者厂家的技术支持或源码,而不是创造新的功法。
笑傲江湖的岳不群本是华山派掌门,精通紫霞神功,武功属于一流,但是没继续专研自家内功,为了辟邪剑谱自宫了,软件开发人员想重蹈覆辙么?
不论剑宗、气宗,先把功能跑通再反推代码原理和实现流程,还是先理清时序和原理再编码实现功能,短期内剑宗效率高,加工资快;
气宗则可能被淘汰,尤其在势利的小公司,不注重新人培养。如果合二为一,项目紧急则拿来就用,空闲时专研总结,取长补短,则是完美开发人员的素质。
软件开发没有秘笈功法,全靠个人学习总结。
-END-
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