#### 常用的器件/外设接口

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{{ :embeddedsystem.png |嵌入式系统典型架构}} <WRAP centeralign> **嵌入式系统的主要部件** </WRAP>

{{ :peripheralinterface.jpg |}} <WRAP centeralign> **外设接口的脑图显示** </WRAP>

#### GPIO

##### 输入 - 用于状态监测

- 开关 - switch
- 按键 - push button

	- 消抖动

- 传感器状态 - 比如光敏
- 逻辑电平0、1、未确定的区间

##### 输出

- 每个期间的输出阻抗不同、输出电流不同，需要查询数据手册
- 很多[[FPGA]]器件的输出阻抗是可编程
- 应用：

	- 驱动[[LED]]

		- LED有前向电压，供电要高于前向电压
		- LED的亮度取决于流过的电流，通过限流电阻调节零度

	- 驱动大的直流负载

		- 阻性负载 - 采用三极管、MOSFET
		- 感性负载 - 需要续流二极管进行保护

	- PWM

		- 控制LED亮度
		- 用作[[DAC]]产生直流电压
		- 电机调速、控制伺服电机

#### 并行接口

##### 构成

- 数据总线 - 8、16、32位
- 地址总线 - 取决于寻址空间的大小
- 控制线 - 读、写、使能

##### 优点

- 处理器/控制器端内部逻辑功能简单
- 在低速/短距离的场景下数据传输带宽高

##### 缺点

- 太多的连线，占用太多的管脚， 收发端都要有
- 传输距离长的情况下速率受限

#### 串行接口

##### 连线较少、成了[[MCU]]的标配

##### 电路的核心是移位寄存器

##### 同步串行接口

- [[SPI]]

	- Serial Peripheral Interface - 串行外设接口
	- 高速（50Mbps）、同步、全双工（SCLK、MISO、MOSI、nCS）
	- 主、从结构，1主n从，靠nSS（或nCS）来寻址不同的外设
	- 根据时钟的极性和相位有4种工作模式，收发端要一致
	- 广泛应用在

		- 传感器
		- 信号调理
		- 高速串行接口的ADC或DAC

	- 优点：

		- 简单、方便、低成本
		- 用MCU指令或FPGA的逻辑来实现比较容易

	- 局限性：

		- 没有来自接收端的应答确认
		- 没有寻址机制，多个从设备需要多个片选信号，占用太多管脚
		- 没有纠错的机制

- [[I2C]]

	- Inter-Integrated Circuit，短距离的IC之间的连接
	- 起源于Philips公司为其音、视频器件开发的一种总线
	- 半双工、同步串行接口
	- 只需要两根线（SCL、SDA），具有寻址和应答功能
	- 两根线都需要上拉电阻才能正常工作
	- 多个从设备连接时的电容效应会影响到传输速率
	- 每个节点都可以做主/从，每个从设备都有一个地址
	- 广泛应用在：

		- 低速传感器接口
		- 低速串行接口外设的配置

	- 优点：

		- 物理连接简单，只需要2根线，可以配置更复杂的网络，增减节点比较方便
		- 可靠性相对较高

	- 局限性

		- 速度较慢
		- 数据不够安全
		- 很难应用在医疗、汽车和高可靠的应用中
		- 用MCU代码或FPGA逻辑实现相对于SPI复杂度高

- 同步串行接口的优点

	- 逻辑实现简单
	- 时钟频率灵活

- 同步串行接口的缺点

	- 每个数据传输需要一个多余的时钟信号线（SPI的SCLK或I2C的SCL）
	- 时钟的带宽至少是数据带宽的2倍，限制了数据的传输速度
	- 长距离传输数据和时钟信号会失去同步

##### 异步串行接口

- 特点：

	- 接收端提取时序信息
	- 速率是确定的 - 每个节点需要准确且稳定的时钟源
	- 每个Byte或Word都以Start和Stop位成帧

- [[UART]]

	- Universal Asynchronous Receiver/transmitter - 异步收发
	- TXD/RXD，全双工
	- 可达3Mbps
	- 设计中要注意的问题：

		- 在接收端需要根据发送端的波特率进行正确设置
		- TXD/RXD不要接反

- [[USB]]

	- 最常用的总线
	- PnP应用
	- 分为Host、Slave、OTG（On The Go）模式，要正确选取
	- 1.5Mbps（低速）、12Mbps（全速）、480Mbps（高速）、10Gbps（Type C）
	- D+/D-/Vcc/GND四线连接，D+/D-为差分信号，要等延时走线

- Ethernet

	- IEEE802.3标准，支持速率10Mbps、100Mbps、1Gbps、100Gbps
	- 差分收、发信号TX+/TX-、RX+/RX-
	- 以太网串行接数据包按帧进行封装传输，每一帧有收、发两端的MAC地址
	- 以太网的数据采用曼切斯特编码以便时钟信号的提取

- CAN总线

	- Controller Area Network
	- 异步、半双工、固定比特率
	- 最高1Mbps
	- 所有节点都是平等的，配置为P2P
	- 有仲裁机制确定各个节点的通信优先级
	- 节点数没有限制
	- 总线节点没有地址，但有“信息过滤”的机制
	- 数据成帧进行传输
	- 高度的数据安全级别、错误检查

#### 模拟接口

##### 内置了ADC、DAC

##### 内置了温度传感器

##### Cypress的PSoC器件

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#### 苏老师的几篇关于串行接口的公众号文章：

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  * [几种最常用的串行数据传输总线（1）- SPI](https://mp.weixin.qq.com/s/jWbvn-DGR9xrrMHKBqXleQ)
  * [几种最常用的串行数据传输总线（2）-I2C](https://mp.weixin.qq.com/s/UVlecH-zBVG5Ug4Bx6TVeQ)
  * [几种最常用的串行数据传输总线（3) - 无人不知的UART](https://mp.weixin.qq.com/s/zSrqHna3N9I9jnGB1ifUDA)
  * [几种最常用的串行数据传输总线（4）- 来一波生动活泼的动图](https://mp.weixin.qq.com/s/kFZEhtEKweag26p2XlCyqw)
  * [漫谈“独臂神通”PWM（1）：用1根管脚、1个电阻和1个电容实现DAC](https://mp.weixin.qq.com/s/K5vfUTsczIkjUpAO3EsWjQ)
  * [漫谈“独臂神通”PWM（2）：DAC的低通滤波器设计](https://mp.weixin.qq.com/s/aiS0zHgxrH72Q1a8IVqi6w)
  * [漫谈“独臂神通”PWM（3）：用PWM点灯调光](https://mp.weixin.qq.com/s/bsC8y037_1hA-dt0F-IG_w)
  * [漫谈“独臂神通”PWM（4）：驱动伺服电机](https://mp.weixin.qq.com/s/I23h75SCv0_TgsCPCAsqnQ)
  * [漫谈“独臂神通”PWM（5）：开关稳压器的调压控制](https://mp.weixin.qq.com/s/8XDX3SqyWkhP6FxKwbenEg)

#### 其它参考文章
  * Sparkfun上关于[串行通信教程](https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-communication/all)
  * www.embedded.com上关于[串行接口协议比较](https://www.embedded.com/design/connectivity/4023975/Serial-Protocols-Compared)
  * Wikipedia上的[高级控制器总线架构](https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Microcontroller_Bus_Architecture)