外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266

时间：2024-03-18 11:17:27

USB

USB通信接口介绍
https://blog.csdn.net/weixin_42509369/article/details/83893976

UART

UART接口介绍
https://blog.csdn.net/weixin_42509369/article/details/82982824

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。

接口
在单片机中UART可以说是一种最基本的配置，很多与电脑进行通信的设备都采用到它，按计算机最常规的说法就是串行通信。

TX - 数据发送接口
RX - 数据接受接口

两个设备间将TX与RX相连，RX与TX相连即可正常工作。最常用到的就是我们电脑上的USB那就是个最典型的UART接口。

基本结构
⑴输出缓冲寄存器，它接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。

⑵ 输出移位寄存器，它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为串行数据输出。

⑶ 输入移位寄存器，它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。

⑷ 输入缓冲寄存器，它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。

⑸控制寄存器，它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。

⑹状态寄存器。状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询。

工作原理
发送接收
发送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行“并→串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流，并且根据控制寄存器中已编程的配置，后面紧跟着数据位（注意：最低位 LSB 先输出）、奇偶校验位和停止位。

在检测到一个有效的起始脉冲后，接收逻辑对接收到的位流执行“串→并”转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和线中止（line-break）错误进行检测，并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。

波特率产生
波特率除数（baud-rate divisor）是一个22 位数，它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器，在足够高的系统时钟速率下，UART 可以产生所有标准的波特率，而误差很小。

数据收发
发送时，数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据（如果FIFO 未空），UART 的忙标志位BUSY 就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空，且已从移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙状态。BUSY 位的相关库函数是UARTBusy( )
在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。

如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，在 Baud16 的每第 16 个周期（即一个位周期之后）对连续的数据位进行采样。如果奇偶校验模式使能，则还会检测奇偶校验位。

最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。

FIFO 操作
FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。

Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。

发送FIFO的基本工作过程： 只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。这个等待并不会很久，以9600 的波特率为例，等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。

接收FIFO的基本工作过程： 当硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。

收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时，中断方式比轮询方式要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。

完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。

Esp8266组件
使用时主要使用如下三个函数，设置，发送，接收

uart.setup()	//(Re-)configures the communication parameters of the UART.
uart.write()	//Write string or byte to the UART.
uart.on()	//Sets the callback function to handle UART events.

i2c

IIC 总线接口详细介绍
https://blog.csdn.net/weixin_42509369/article/details/83002455

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

接口

SCL - 串行时钟线
SDA - 串行数据线接口

SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出．需通过上拉电阻接电源VCC．当总线空闲时．两根线都是高电平，连接总线的外同器件都是CMOS器件，输出级也是开漏电路．在总线上消耗的电流很小，因此，总线上扩展的器件数量主要由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容．而线路中电容会影响总线传输速度．当电容过大时，有可能造成传输错误．所以，其负载能力为400pF，因此可以估算出总线允许长度和所接器件数量。

主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件．然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下．主机负责产生定时时钟和终止数据传送。

连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制，串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3．4Mbit/s。

总线具有极低的电流消耗．抗高噪声干扰，增加总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离达到15m；兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。

数据传输方式
字节格式

发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位（MSB），如果从机要完成一些其他功能后（例如一个内部中断服务程序）才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平，迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL 后数据传输继续。

应答响应

数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟脉冲期间发送器释放SDA 线（高）。

在响应的时钟脉冲期间，接收器必须将SDA 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。

通常被寻址的接收器在接收到的每个字节后，除了用CBUS 地址开头的数据，必须产生一个响应。当从机不能响应从机地址时（例如它正在执行一些实时函数不能接收或发送），从机必须使数据线保持高电平，主机然后产生一个停止条件终止传输或者产生重复起始条件开始新的传输。

如果从机接收器响应了从机地址，但是在传输了一段时间后不能接收更多数据字节，主机必须再一次终止传输。这个情况用从机在第一个字节后没有产生响应来表示。从机使数据线保持高电平，主机产生一个停止或重复起始条件。

如果传输中有主机接收器，它必须通过在从机发出的最后一个字节时产生一个响应，向从机发送器通知数据结束。从机发送器必须释放数据线，允许主机产生一个停止或重复起始条件。

时钟同步

所有主机在SCL线上产生它们自己的时钟来传输I2C总线上的报文。数据只在时钟的高电平周期有效，因此需要一个确定的时钟进行逐位仲裁。

时钟同步通过线与连接I2C 接口到SCL 线来执行。这就是说SCL 线的高到低切换会使器件开始数它们的低电平周期，而且一旦器件的时钟变低电平，它会使SCL 线保持这种状态直到到达时钟的高电平。但是如果另一个时钟仍处于低电平周期，这个时钟的低到高切换不会改变SCL 线的状态。因此SCL 线被有最长低电平周期的器件保持低电平。此时低电平周期短的器件会进入高电平的等待状态。

当所有有关的器件数完了它们的低电平周期后，时钟线被释放并变成高电平。之后，器件时钟和SCL线的状态没有差别，而且所有器件会开始数它们的高电平周期。首先完成高电平周期的器件会再次将SCL线拉低。

这样产生的同步SCL 时钟的低电平周期由低电平时钟周期最长的器件决定，而高电平周期由高电平时钟周期最短的器件决定。

i2c协议

2条双向串行线，一条数据线SDA，一条时钟线SCL。
SDA传输数据是大端传输，每次传输8bit，即一字节。
支持多主控(multimastering)，任何时间点只能有一个主控。
总线上每个设备都有自己的一个addr，共7个bit，广播地址全0.
系统中可能有多个同种芯片，为此addr分为固定部分和可编程部份，细节视芯片而定，看datasheet。

I2C传输

SCL SDA ----------
数据传输 SCL为高电平时 SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输一位数据（bit） ----------
-------- 若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
数据改变 SCL为低电平时 SDA线改变为下一位传输的数据（bit） ----------

外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266
外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266
I2C应答信号

Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
即在第9个clock，若从IC发ACK，SDA会被拉低。
若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程，如下所示：
外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266
I2C写流程
写寄存器的标准流程为：

  1. Master发起START
  2. Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
  3. Slave发送ACK
  4. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
  5. Slave发送ACK
  6. Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
  7. Slave发送ACK
  8. 第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
  9. Master发起STOP

写一个寄存器
外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266
写多个寄存器
外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266

I2C读流程

读寄存器的标准流程为：

  1. Master发送I2Caddr（7bit）和 W操作1（1bit），等待ACK
  2. Slave发送ACK
  3. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
  4. Slave发送ACK
  5. Master发起START
  6. Master发送I2C addr（7bit）和 R操作1（1bit），等待ACK
  7. Slave发送ACK
  8. Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
  9. Master发送ACK
  10. 第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

读一个寄存器
外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266
读多个寄存器
外设通信接口usb uart i2c spi 与esp8266
来源网址https://blog.csdn.net/weixin_41718085/article/details/79376823

Esp8266组件
使用时主要使用如下三个函数，设置，发送，接收

uart.setup()	//(Re-)configures the communication parameters of the UART.
uart.write()	//Write string or byte to the UART.
uart.on()	//Sets the callback function to handle UART events.

SPI

SPI接口详细介绍
https://blog.csdn.net/weixin_42509369/article/details/83096349

SPI接口的全称是"Serial Peripheral Interface"，意为串行外围接口。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上占用四根线。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。

优点：
支持全双工，push-pull的驱动性能相比open-drain信号完整性更好；
支持高速（100MHz以上）；
协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长；
硬件连接简单；

缺点：
相比IIC多两根线；
没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备；
没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知；
典型应用只支持单主控；
相比RS232 RS485和CAN总线，SPI传输距离短；

接口
SDI– SerialData In,串行数据输入
（MISO 主设备数据输出，从设备数据输入）
SDO – SerialDataOut,串行数据输出
（MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入）
SCLK –时钟信号，由主器件产生,
CS – 从器件使能信号，由主器件控制

其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。

SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

原理(2部分内容)
1 工作模式
https://blog.csdn.net/weixin_42509369/article/details/83096349
2 工作机制
https://blog.csdn.net/weiqifa0/article/details/82765892

SPI是一个环形总线结构，由CS、SCLK、MISO、MOSI构成，其时序其实很简单，主要是在SCLK的控制下，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

假设主机的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。那么第一个上升沿来的时候，主机将会通过MOSI信号线传输给从机最高位1，自身寄存器变成0101010x。同时，MISO信号线会从从机处返回一个数据给主机，那么这时寄存器为0101010MISO，这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个SPI时序。

这个时候就会有一个疑问，或者说产生一个必然了：

为什么主机发送一个数据给从机，从机就同时通过MISO返回的一个数据给主机呢？

解释：主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。也就是说，当上升沿主机发送数据的时候，从机也发送了数据。

所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。

外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

Esp8266组件
使用时主要使用如下三个函数，设置，发送，接收

uart.setup()	//(Re-)configures the communication parameters of the UART.
uart.write()	//Write string or byte to the UART.
uart.on()	//Sets the callback function to handle UART events.

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