MCU 提供了非常廣泛的串行接口選擇。串行接口的選擇可能與外圍組件所需的接口一樣簡單，但是當(dāng)您可以選擇要使用的接口時(shí)，明智的決定會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響。SPI、I2C 或 UART 等通用串行接口可能是最常見的選擇，但 CAN 或 SMBus/PMBus 等更專業(yè)的接口又如何呢？這些選擇什么時(shí)候最好？本文將更詳細(xì)地研究這些串行接口標(biāo)準(zhǔn)，并探索一些常見的實(shí)現(xiàn)，以更好地了解它們最適合的應(yīng)用程序類型。

　　通用異步接收器發(fā)送器

　　也許最熟悉的串行接口是古老的通用異步收發(fā)器 （UART）。這個(gè)簡單的異步協(xié)議使用單線傳輸數(shù)據(jù)和另一根線接收，使用圖 1 頂部所示的簡單數(shù)據(jù)幀。線路從空閑狀態(tài)開始，高電壓電平和低沿定義數(shù)據(jù)框的開始。隨后是多個(gè)數(shù)據(jù)位，低電平或高電平指示數(shù)據(jù)值。一個(gè)可選的第 8 個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)奇偶校驗(yàn)位可以包含在數(shù)據(jù)幀的末尾。（第 8 個(gè)數(shù)據(jù)位是可選的這一事實(shí)讓您知道標(biāo)準(zhǔn)的歷史。誰會(huì)想到創(chuàng)建一個(gè)只有 7 個(gè)數(shù)據(jù)位的現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)？）一個(gè)自由運(yùn)行的時(shí)鐘，通常是數(shù)據(jù)傳輸頻率的幾倍，用于捕獲起始位之后的數(shù)據(jù)位。接收器通?？梢酝ㄟ^檢查數(shù)據(jù)速率和窗口化起始位和停止位之間的時(shí)間來“計(jì)算”傳輸數(shù)據(jù)速率。UART 的數(shù)據(jù)速率通常低于其他串行協(xié)議的數(shù)據(jù)速率，但其簡單性和普遍性（幾乎每個(gè) MCU 都有多個(gè) UART 外設(shè)）使其非常適合傳感器、簡單控制器和子系統(tǒng)通信等低性能應(yīng)用— 通過電線或通過板對(duì)板連接器。

　　圖 1：UART 數(shù)據(jù)格式和 Energy Micro 低能耗 UART 操作。（由能源微提供）

　　您可能認(rèn)為這種類型的接口幾乎沒有什么創(chuàng)新的可能，但隨著對(duì)低功耗操作的持續(xù)推動(dòng)，即使是熟悉的 UART 也受到關(guān)注。例如，Silicon Labs 的Energy Micro Tiny Gecko MCU 設(shè)備，如EMF32TG210包括熟悉的 UART 外設(shè)的特殊低能耗實(shí)現(xiàn)。低功耗 UART 可以在低功耗 EM2 模式下獨(dú)立運(yùn)行（關(guān)閉大部分核心功能）。低功耗 UART 還可以在極低功耗模式下等待傳入的 UART 幀。當(dāng)檢測到傳入幀時(shí)，可以喚醒 CPU?；蛘撸梢允褂?DMA 控制器在 CPU 干預(yù)下將多個(gè)幀移動(dòng)到片上 SRAM，如圖 1 底部所示。為了更節(jié)能的操作，低能耗 UART 甚至可以阻止數(shù)據(jù)接收，直到可配置的檢測到起始幀。此外，可配置信號(hào)幀可用于生成中斷，可能指示塊傳輸結(jié)束，以喚醒 CPU。低功耗 UART 的數(shù)據(jù)傳輸速率限制為 9600 波特，

　　通用同步異步收發(fā)器 （USART）

　　通用 UART 外設(shè)的大多數(shù)現(xiàn)代 MCU 實(shí)現(xiàn)不僅包括異步操作，還包括同步操作。這很常見，因?yàn)橥胶彤惒讲僮髦g的許多低級(jí)硬件是相似的。同步操作通常支持其他標(biāo)準(zhǔn)，例如 RS-485、Microwire、3-wire、SPI、SmartCards 和/或 IrDA。支持這些額外同步標(biāo)準(zhǔn)所需的附加電路確實(shí)需要額外的功率，因此仍有一些實(shí)現(xiàn)，例如 Energy Micro 低能耗 UART，至少為單個(gè) UART 通道省去了額外的 USART 開銷。

　　串行外設(shè)接口 （SPI） 和內(nèi)部集成電路接口 （I2C）

　　SPI 和 I2C 串行端口用于非常相似的目的。它們是簡單的串行接口，使用最少的信號(hào)連接到中速外圍設(shè)備——通常是傳感器、串行存儲(chǔ)器，并作為更復(fù)雜設(shè)備的配置端口（例如，一些 FPGA，可以通過 SPI 接口進(jìn)行配置）。 STMicroelectronics

　　STM32F373xx系列支持 I2C 和 SPI，我們將在此以示例的形式展示這些端口的常用位置。STM32F373的I2C 端口可以在 100 kHz（標(biāo)準(zhǔn)速度）、400 kHz（快速）和 1 MHz（快速+ 速度）下運(yùn)行，而 SPI 端口可以高達(dá) 18 Mbits/s 的速度運(yùn)行。MCU 通常具有多個(gè) I2C 和 SPI 端口，STM32F373 也不例外，具有三個(gè) SPI 端口和兩個(gè) I2C 端口。I2C 和 SPI 端口支持其他類似協(xié)議也很常見。在 STM32F373 上，I2C 端口還可以支持 SMBus/PMBus 進(jìn)行電源配置和控制，SPI 端口還可以支持內(nèi)部集成聲音接口 （I2S）。

　　SPI 和 I2C 端口是適用于多種應(yīng)用的主力串行端口。簡單的連接（僅使用幾個(gè)引腳）和簡單的協(xié)議，以及在地址匹配期間喚醒 CPU 或通過 DMA 自動(dòng)傳輸支持的一些有用的硬件功能，使這些端口成為低速傳感、電源控制的首選，配置和簡單的通信。只有當(dāng)您需要更高的性能時(shí)，您才需要考慮另一種類型的接口。

　　許多串行接口外設(shè)都有共同的架構(gòu)元素，因此仔細(xì)研究 SPI 外設(shè)的 STM32F373 實(shí)現(xiàn)有助于總體了解串行接口外設(shè)。如圖 2 所示，STM32F373 SPI 端口具有少量 IO（MOSI 和 MISO 串行數(shù)據(jù)信號(hào)、SCK 串行時(shí)鐘和 NSS 從機(jī)選擇引腳）。許多串行外設(shè)使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘作為低引腳數(shù)和高性能之間的平衡。一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘需要一個(gè)額外的引腳而不是非時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)，但允許更高的性能，因?yàn)閿?shù)據(jù)不需要像在 UART 協(xié)議中那樣以數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)進(jìn)行采樣。從機(jī)選擇輸入也是其他串行通信實(shí)現(xiàn)的通用元素，它允許多個(gè)設(shè)備使用相同的信號(hào)，

　　圖 2：在 STM32F373 上實(shí)現(xiàn) SPI 外設(shè)。（意法半導(dǎo)體提供）

　　STM32F373 具有獨(dú)立的發(fā)送和接收 FIFO，有助于減輕 CPU 的低級(jí)通信管理負(fù)擔(dān)。移位寄存器在串行通信實(shí)現(xiàn)中無處不在，用于保存外設(shè)發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。用于確定時(shí)鐘速率的集成波特率發(fā)生器和用于從 CPU 卸載任何低級(jí)錯(cuò)誤檢查的硬件 CRC 模塊是受歡迎的硬件元素，并且對(duì)于許多串行外設(shè)實(shí)現(xiàn)來說也是常見的。最后，需要從外設(shè)到系統(tǒng)其余部分的總線接口，許多實(shí)現(xiàn)包括總線矩陣和 DMA 控制，以優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)傳輸并進(jìn)一步提高效率。

　　STMicroelectronics 為 STM32F3 微控制器提供了一個(gè)探索套件，有助于工程師利用和應(yīng)用這些 MCU。

　　SMBus/PMBus

　　SMBus 是 I2C 總線的簡化版本（只有時(shí)鐘和數(shù)據(jù)），最初被定義為將 ON/OFF 指令傳送到電源——通常是板載模塊或穩(wěn)壓器。大多數(shù) MCU I2C 外設(shè)可用于控制 SMBus，但也有例外，因此請仔細(xì)檢查您的設(shè)計(jì)中是否需要 SMBus。PMBus 是一種稍微復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)，但仍然很容易得到大多數(shù) MCU I2C 端口的支持，它更清楚地定義了兼容設(shè)備的一些屬性（而不是像 SMBus 那樣主要定義通信協(xié)議）。PMBus 與 SMBus 的選擇主要取決于電源控制系統(tǒng)，因?yàn)?MCU 支持通常很容易獲得。

　　控制器局域網(wǎng) （CAN）

　　CAN 協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目的是用作車輛串行數(shù)據(jù)總線，以滿足車輛嘈雜環(huán)境中實(shí)時(shí)處理和可靠運(yùn)行的特定要求。所需帶寬的成本效益也是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。CAN 也被更廣泛地用于存在類似實(shí)時(shí)和可靠性要求的電機(jī)控制和工業(yè)自動(dòng)化。

　　盡管 CAN 僅使用單數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)和單數(shù)據(jù)接收信號(hào)，但它是比我們之前討論的協(xié)議復(fù)雜得多的協(xié)議。幸運(yùn)的是，外設(shè)自動(dòng)支持許多低級(jí)細(xì)節(jié)，用戶可以主要關(guān)注設(shè)計(jì)的高級(jí)方面。作為一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)，飛思卡爾Kinetis K30 MCU 設(shè)備（如MK30DX256）具有非常靈活的 CAN 協(xié)議實(shí)現(xiàn)，如圖 3 所示，有助于說明在使用更復(fù)雜的協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的一些關(guān)鍵考慮因素。

　　圖 3：飛思卡爾 Kinetis MK30DX256 MCU CAN 控制器。（由飛思卡爾提供）

　　Freescale Kinetis MK30DX256 上的 FlexCAN 模塊是 CAN 協(xié)議規(guī)范 2.0 B 版的完整實(shí)現(xiàn)。最好將其視為協(xié)議控制器，而不僅僅是一個(gè)簡單的接口，因?yàn)樗[藏了設(shè)計(jì)的許多低級(jí)元素用戶。（CAN 物理層的細(xì)節(jié)實(shí)際上很有趣，在很多方面都讓人想起以太網(wǎng)，但超出了本文的范圍。如果您有興趣了解更多信息，請參閱 CAN 規(guī)范1。） 兩線制通信接口由控制器處理，生成的消息存儲(chǔ)在本地消息緩沖區(qū) RAM 中。

　　在 Freescale Kinetis MK30DX256 實(shí)施中，CAN 協(xié)議引擎 （PE） 子模塊管理 CAN 總線上的串行通信，請求 RAM 訪問以接收和發(fā)送消息幀，驗(yàn)證接收到的消息并執(zhí)行錯(cuò)誤處理?？刂破髦鳈C(jī)接口 （CHI） 子模塊處理接收和發(fā)送的消息緩沖區(qū)選擇，負(fù)責(zé)仲裁和 ID 匹配算法?？偩€接口單元 （BIU） 子模塊控制對(duì)內(nèi)部接口總線的訪問，以建立與 CPU 和其他模塊的連接。與 FlexCAN 控制器相關(guān)的靈活性是通過控制各種操作模式、掩碼寄存器、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、中斷寄存器和 FIFO 控制的大量配置寄存器（31 個(gè) 32 位寄存器）來實(shí)現(xiàn)的。

　　雖然 CAN 主要針對(duì)汽車應(yīng)用，但它也可用于許多工業(yè)應(yīng)用。例如，電機(jī)控制是一種應(yīng)用，CAN 的抗噪聲能力（以電磁干擾或 EMI 的形式）可以帶來很大的好處。對(duì)穩(wěn)健運(yùn)行、運(yùn)行冗余和低速要求有重大要求的工廠車間可能會(huì)發(fā)現(xiàn) CAN 比不太穩(wěn)健的串行接口或更復(fù)雜的解決方案（如工業(yè)以太網(wǎng)）更好。現(xiàn)在越來越多的低成本 MCU 支持 CAN，以及 CAN 驅(qū)動(dòng)程序和協(xié)議棧的更好可用性，CAN 可能值得在您的下一個(gè)工業(yè)控制項(xiàng)目中進(jìn)行更深入的研究。

　　軟件支持是關(guān)鍵

　　在這些類型的更復(fù)雜的外設(shè)中，大量的配置寄存器可能令人望而生畏，正確設(shè)置每個(gè)配置位可能是令人沮喪的根源。幸運(yùn)的是，MCU 制造商已經(jīng)意識(shí)到了這一點(diǎn)，并且通常會(huì)提供一種工具來輕松設(shè)置常見操作場景所需的各種配置位。例如，飛思卡爾提供了 Processor Expert 工具2，它可以生成 C 代碼來創(chuàng)建、配置、優(yōu)化、遷移和交付軟件組件，例如外圍驅(qū)動(dòng)程序，作為您軟件開發(fā)過程的起點(diǎn)。Processor Expert 使用簡單的圖形用戶界面從庫中選擇組件，使用可消除錯(cuò)誤和沖突的引導(dǎo)過程配置它們（在“手動(dòng)”執(zhí)行此任務(wù)時(shí)很常見），然后將它們安裝到您的軟件項(xiàng)目中，供 IDE 在軟件開發(fā)期間使用。在設(shè)計(jì)復(fù)雜的外圍設(shè)備以避免代價(jià)高昂的錯(cuò)誤和配置沖突時(shí)，這種類型的工具幾乎是一項(xiàng)硬性要求。一個(gè)簡短的視頻 3 提供了此過程的快速概覽。

　　總結(jié)

　　在許多應(yīng)用中，眾所周知的低帶寬 UART 可能是最熟悉的選擇，但現(xiàn)在 MCU 提供了廣泛的其他中低帶寬串行接口解決方案，如 SPI、I2C、PMBus 和 CAN it對(duì)于查看其他選項(xiàng)也很有用。使用有助于向用戶“隱藏”許多詳細(xì)的低級(jí)硬件功能的軟件工具，您不僅會(huì)獲得更高的接口性能，而且還會(huì)減少您的開發(fā)時(shí)間。