我們將簡要介紹七個(gè)串行接口：SIO、UART、SSP（SPI）、I2C、CAN、USB和EtherMAC。雖然每個(gè)接口都有幾個(gè)不同的操作模式，但我們只介紹一個(gè)典型的模式。

1. SIO（串行輸入輸出）

最基本的串行接口是SIO，它由一個(gè)主器件和一個(gè)從器件通過一條數(shù)據(jù)線和一條時(shí)鐘線采用一對(duì)一的方式連接組成。主器件把傳輸時(shí)鐘提供給從器件。

接口將被其控制電路中的寄存器指定為主從器件。在數(shù)據(jù)傳輸之前，應(yīng)該設(shè)置另一個(gè)寄存器以確定哪一個(gè)成為發(fā)射器或接收器。

如果數(shù)據(jù)集為8位，則發(fā)出8個(gè)時(shí)鐘來同步傳輸數(shù)據(jù)。主器件的指令隨時(shí)鐘信號(hào)傳輸至從器件。這就是說，當(dāng)主器件向從器件發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，主器件將通過發(fā)出時(shí)鐘來啟動(dòng)傳輸請(qǐng)求。由于數(shù)據(jù)傳輸方向是預(yù)先定義的，因此主器件將在必要時(shí)向從器件發(fā)出時(shí)鐘，并執(zhí)行與從器件之間的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，與時(shí)鐘同步。

數(shù)據(jù)通常是8位串行數(shù)據(jù)?？梢栽跀?shù)據(jù)末尾添加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，這將使得長度總共為9位。在這種情況下，從器件接口必須在接收串行數(shù)據(jù)之前已經(jīng)知道串行數(shù)據(jù)有一個(gè)奇偶校驗(yàn)位。

2. UART（通用異步收發(fā)器）

UART是異步串行接口，兩個(gè)接口之間沒有時(shí)鐘信號(hào)。因此在UART中，主從器件的定義沒有意義。

雖然消除時(shí)鐘信號(hào)的目的是防止噪聲問題，但這將造成另一個(gè)問題。如前所述，來自主器件的命令將通過SIO中的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到從器件。但是由于UART沒有任何時(shí)鐘信號(hào)，UART接口無法接受任何命令。因此，接收器必須等待數(shù)據(jù)到達(dá)，然后隨時(shí)正確接收數(shù)據(jù)。

為了使接收器能夠識(shí)別傳輸數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束，發(fā)射器應(yīng)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的開始或結(jié)束數(shù)據(jù)設(shè)置一些指示。起始位是數(shù)據(jù)“0”，停止（結(jié)束）位是數(shù)據(jù)“1”，它們分別添加在傳輸數(shù)據(jù)之前和之后。

在數(shù)據(jù)傳輸之前，發(fā)射器或接收器的分配已經(jīng)完成。如果數(shù)據(jù)線變?yōu)椤?”（數(shù)據(jù)線通常為“1”），則接收器會(huì)識(shí)別到發(fā)射器將要發(fā)送數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備開始接收傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于沒有時(shí)鐘信號(hào)，很難理解一個(gè)位的時(shí)間間隔有多長。如果發(fā)射器發(fā)送了兩個(gè)“0”（“00”），則接收器不可能在發(fā)射器和接收器之間沒有任何約定的情況下識(shí)別出傳輸數(shù)據(jù)只是一個(gè)“0”或“00”。

關(guān)于該約定的典型例子是，接收器用頻率比發(fā)射器中的發(fā)送時(shí)鐘快16倍的時(shí)鐘接收數(shù)據(jù)，該發(fā)射器應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸之前預(yù)先定義。一旦接收器檢測到起始位，它將每隔16個(gè)時(shí)鐘捕獲一次數(shù)據(jù)。

在UART和SIO中都可以添加奇偶校驗(yàn)位。

UART中可能有兩個(gè)以上的接口。在這種情況下，只有一個(gè)接口能分配為主器件，其它接口作為從器件。接收器將應(yīng)答返回給發(fā)射器，使得對(duì)接功能可在UART上工作。

3. SSP（SPI）（同步串行端口（串行外圍接口））

SSP是同步串行接口的總稱，是指包括SPI在內(nèi)的幾種不同的數(shù)據(jù)傳輸方法。

SPI有一個(gè)主器件和多個(gè)從器件，這就是說SPI具有星型結(jié)構(gòu)。所有接口共享兩條數(shù)據(jù)線。其中一條是主器件發(fā)送數(shù)據(jù)線（SPDO），另一條是主器件接收數(shù)據(jù)線（SPDI）。通過使用這兩條數(shù)據(jù)線，SPI可以方便地控制從器件接口，同時(shí)可輕松地增加從器件接口的數(shù)量，因?yàn)閿?shù)據(jù)線上不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。一條時(shí)鐘線（SPCLK）將由主器件和所有從器件以及數(shù)據(jù)線共享。

主器件具有選擇線路（SPFSSn）來訪問其中一個(gè)從器件以便與主器件進(jìn)行通信。一條選擇線路連接到一個(gè)從器件，因此主器件的選擇線路數(shù)量與從器件的相同。

4. I2C（內(nèi)部集成電路）

即使網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)從器件，在I2C中也只需要兩條線路，即一條數(shù)據(jù)線和一條時(shí)鐘線。I2C還允許多個(gè)主器件結(jié)構(gòu)（可以分配多個(gè)主器件）。在每個(gè)接口控制電路中設(shè)置一個(gè)寄存器，可以完成主從器件的分配。I2C是同步接口。

設(shè)計(jì)I2C數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線以實(shí)現(xiàn)多個(gè)主器件結(jié)構(gòu)。所有接口的輸出只有“0”或高阻狀態(tài)，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的高電平由線路上的上拉元件（“線與”結(jié)構(gòu)）提供。每個(gè)接口的輸出緩沖區(qū)只有NMOS晶體管，沒有PMOS晶體管。必要時(shí)，這些晶體管變?yōu)椤皩?dǎo)通”，接口的輸出將為“0”。如果這些NMOS晶體管變?yōu)椤瓣P(guān)斷”，則接口的輸出變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。由于上拉元件連接到每條線路，如果連接到信號(hào)線的接口的所有輸出變成高Z狀態(tài)，則該線路被上拉直至VDD并變成“1”。這是“線與”結(jié)構(gòu)。

在“線與”連接中，數(shù)據(jù)“0”比數(shù)據(jù)“1”強(qiáng)。也就是說，如果兩個(gè)接口分別輸出“0”和“1”（高阻狀態(tài)），則該線路的數(shù)據(jù)變?yōu)椤?”。該強(qiáng)度優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于防止多個(gè)主器件系統(tǒng)中發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的仲裁方式?？紤]兩個(gè)主器件同時(shí)向數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)的情況，如果其中一個(gè)數(shù)據(jù)為“0”，另一個(gè)數(shù)據(jù)為“1”，則后一個(gè)接口將立即知道其它輸出為“0”，并根據(jù)自己的判斷立即停止線路訪問。結(jié)果是前一個(gè)接口將保留使用線路的優(yōu)先級(jí)，后一個(gè)接口將在知道前一個(gè)接口的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。這種仲裁方式使得多個(gè)主器件系統(tǒng)成為可能。

5. CAN（控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）

CAN是一種主要用于汽車內(nèi)部通信的網(wǎng)絡(luò)。CAN的結(jié)構(gòu)致力于抗噪聲。它采用差分?jǐn)?shù)據(jù)線結(jié)構(gòu)，不需要任何時(shí)鐘線。所以CAN是異步接口，盡管CAN僅由與I2C一樣的兩條信號(hào)線構(gòu)成。

雙數(shù)據(jù)線即所謂的CAN.H和CAN.L。兩個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)之間的電壓差表示數(shù)據(jù)；較高電壓的CAN.H和較低電壓的CAN.L定義數(shù)據(jù)“0”，而這些信號(hào)的相同電壓電平定義數(shù)據(jù)“1”。這些定義實(shí)現(xiàn)了高的抗噪性，因?yàn)樵肼晫⒁韵嗤姆绞酵瑫r(shí)影響兩條線路。

CAN接口有一種特殊的同步方式，不需要任何時(shí)鐘，主從器件之間沒有區(qū)別。因此，信號(hào)線上存在數(shù)據(jù)沖突的可能性，所以每個(gè)接口應(yīng)設(shè)置優(yōu)先級(jí)。接口之間的同步按以下方式進(jìn)行。首先，發(fā)射器將在發(fā)送數(shù)據(jù)之前傳輸起始位“0”。因?yàn)榈侥壳盀橹?，信?hào)線上的數(shù)據(jù)一直是“1”，所以其它接口將檢測到這個(gè)“0”數(shù)據(jù)，并將它們自己的時(shí)鐘同步到數(shù)據(jù)“0”的邊緣。當(dāng)接收到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，接收器將其時(shí)鐘定時(shí)調(diào)整到數(shù)據(jù)“0”的任意邊緣。當(dāng)數(shù)據(jù)“1”繼續(xù)時(shí)，這個(gè)方法將出現(xiàn)問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)“1”在CAN.H或CAN.L上沒有邊緣。連續(xù)的數(shù)據(jù)序列“1”無邊緣，并且接收器可能與發(fā)射器失去同步。其解決方案是采用“位填充”技術(shù)，這種情況下，在五個(gè)連續(xù)的“1”數(shù)據(jù)之后插入一個(gè)數(shù)據(jù)“0”，這僅用于發(fā)射器的同步。接收器將使用數(shù)據(jù)“0”來同步其時(shí)鐘，并將其從接收的數(shù)據(jù)中消除。

如前所述，應(yīng)對(duì)每個(gè)接口設(shè)置優(yōu)先級(jí)，以防止數(shù)據(jù)沖突。為此，每個(gè)CAN接口都有標(biāo)識(shí)符（11位）。標(biāo)識(shí)符可用于確定每個(gè)接口傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，以防止數(shù)據(jù)沖突。

實(shí)際上，當(dāng)數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”從不同的接口輸出到數(shù)據(jù)線時(shí)，數(shù)據(jù)“0”在CAN中的傳輸類似于在I2C中的傳輸。在起始位之后和傳輸數(shù)據(jù)之前，發(fā)射器將傳輸其自己的標(biāo)識(shí)符。當(dāng)兩個(gè)接口同時(shí)發(fā)送它們的標(biāo)識(shí)符時(shí)，其中一個(gè)接口將取得優(yōu)先級(jí)，輸出“0”，另一個(gè)輸出“1”。前一個(gè)接口可以占用數(shù)據(jù)線，在另一個(gè)接口之前完成發(fā)送。

6. USB 2.0（通用串行總線2.0）

USB 2.0是一種非常流行的串行接口，特別是對(duì)于個(gè)人電腦而言。眾所周知，USB 2.0被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用，比如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、閃存、硬盤、揚(yáng)聲器等接口。

USB 2.0有三種速度等級(jí)，分別是低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。

USB接口采用分層結(jié)構(gòu)。在USB中，主器件稱為“主機(jī)”，從器件稱為“設(shè)備”。USB 2.0是一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)“主機(jī)”控制著許多“設(shè)備”。例如，PC是主機(jī)，設(shè)備可以是通過USB電纜連接到PC的任何設(shè)備，比如鍵盤、鼠標(biāo)等。

USB的顯著特點(diǎn)是即插即用。連接或卸下USB設(shè)備時(shí)，不必關(guān)閉電腦。這就是USB變得如此流行的原因之一。

為了使USB設(shè)備能夠很容易地連接到網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中移除，USB主機(jī)必須做一些工作。當(dāng)USB設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該設(shè)備會(huì)向主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求。接收來自設(shè)備的請(qǐng)求后，主機(jī)開始獲取設(shè)備的信息，選擇最合適的驅(qū)動(dòng)器，并為設(shè)備分配地址。主機(jī)的這個(gè)操作稱為枚舉。枚舉成功后，主機(jī)可以正確訪問設(shè)備。

主機(jī)可控制的設(shè)備和集線器的最大數(shù)量為127。如果集線器插入網(wǎng)絡(luò)，則串聯(lián)連接的集線器數(shù)量必須小于或等于5。

USB 2.0電纜有4根導(dǎo)線：VDD、GND、信號(hào)D+和信號(hào)D-。對(duì)于一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)，信號(hào)D+和D-彼此取互補(bǔ)值。如果D+為高電平，D-為低電平，則數(shù)據(jù)被稱為“差分1”。如果D＋為低電平，D-為高電平，則數(shù)據(jù)被稱為“差分0”。

但在USB 2.0網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中，“差分1”和“差分0”并不一定分別意味著數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”。USB的數(shù)據(jù)格式為NRZI（反向不歸零）。當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘間隔內(nèi)沒有變化時(shí)，此格式將定義數(shù)據(jù)“1”，當(dāng)發(fā)生從高到低或從低到高的變化時(shí)，則定義數(shù)據(jù)“0”。

USB 2.0沒有任何時(shí)鐘線，所以它是異步接口。所以主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器必須像在CAN中一樣進(jìn)行相互同步。傳輸8位SYNC碼，使接收器與發(fā)射器以USB全速同步。

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在USB 2.0中連續(xù)傳輸6次數(shù)據(jù)“1”后，完成數(shù)據(jù)“0”的位填充，因?yàn)橹挥袛?shù)據(jù)“1s”連續(xù)傳輸時(shí)，NRZI格式中無信號(hào)邊緣出現(xiàn)。

7. EtherMAC（以太網(wǎng)媒體訪問控制）

EtherMAC是以太網(wǎng)接口的一部分。由于以太網(wǎng)的接口結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以不容易閘釋完全的以太網(wǎng)功能。我們只對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行簡要說明，提供到目前為止所述的與其它串行接口的差異概述。

以太網(wǎng)的“以太”來自一種叫做“以太”的介質(zhì)，它是一種物理學(xué)定義，曾經(jīng)被認(rèn)為可以填滿所有的空間?！耙蕴钡拇嬖谧罱K被否定了，但由于“以太”被認(rèn)為是無處不在的，所以它成為了網(wǎng)絡(luò)命名的起源。

以太網(wǎng)主要分為四層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和上層。EtherMAC處理最低的兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

以太網(wǎng)電纜由四根信號(hào)線組成。兩條絞合線用于輸出數(shù)據(jù)，另兩條絞合線用于輸入數(shù)據(jù)。這種電纜即使沒有電屏蔽層也有很好的抗噪性（非屏蔽雙絞線：UTP）。由于沒有時(shí)鐘線，因此以太網(wǎng)是一個(gè)異步接口。

為了理解以太網(wǎng)的概念，我們先介紹一下10Base-T，盡管100Base-TX是當(dāng)今最流行的版本，但10Base-T是基本的，且比100Base-TX簡單得多。

10Base-T是一個(gè)使用雙絞線的接口，具有10Mbps傳輸速率和基帶格式。

信號(hào)傳輸采用曼徹斯特代碼格式。在曼徹斯特代碼中，數(shù)據(jù)“1”和“0”分別定義為上升轉(zhuǎn)換和下降轉(zhuǎn)換。

以太網(wǎng)沒有任何時(shí)鐘線。接收器和發(fā)射器必須彼此同步，與CAN和USB2.0接口中一樣。但即使相同的數(shù)據(jù)連續(xù)重復(fù)，也不需要位填充，因?yàn)閿?shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”中都有信號(hào)轉(zhuǎn)換。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)前的56位連續(xù)脈沖，僅用于使接收器與發(fā)射器同步。

以太網(wǎng)沒有USB 2.0中所必不可少的主機(jī)和設(shè)備關(guān)系等層次結(jié)構(gòu)。當(dāng)接口的一個(gè)單元想要輸出數(shù)據(jù)時(shí)，該線路必須是空閑的。如果另一個(gè)單元占用線路，該單元必須等待。即使該單元已確保線路可用并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，但如果另一個(gè)單元也開始同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則會(huì)發(fā)生沖突。一旦發(fā)生沖突，所有單元將停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并等待線路空閑。當(dāng)一個(gè)單元嘗試開始發(fā)送時(shí)，可能會(huì)再次發(fā)生另一個(gè)沖突，因?yàn)槠渌鼏卧矅L試開始發(fā)送。為了防止這種永久性的沖突，以太網(wǎng)有一個(gè)防止沖突的對(duì)策。當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，發(fā)射器的等待時(shí)間由隨機(jī)數(shù)決定。這對(duì)發(fā)生沖突的單元有效。但是當(dāng)先前的一個(gè)單元開始再次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，新單元可能會(huì)發(fā)生沖突。一個(gè)單元最多可以發(fā)送16次相同的數(shù)據(jù)。

對(duì)于無主從器件關(guān)系的系統(tǒng)分擔(dān)通信責(zé)任而言，這是最佳的仲裁方式之一。

來源：硬件工程師技術(shù)號(hào)

審核編輯：湯梓紅