引言

隨著嵌入式系統(tǒng)小型化的趨勢，市場對減少器件間通信所用的I／O引腳數的需求與日俱增。Microchip科技公司開發(fā)的UNI／O總線正滿足了這一需求，這個低成本且易于實現的解決方案，僅需要使用一個I／O引腳就可實現主從器件之間的通信。

1 UNI／O總線介紹

1．1 UNI／O總線的特點

UNI／O總線具有如下特點：

①UNI／O總線采用曼徹斯特編碼，只需一根信號線SCIO就可以實現數據的串行傳輸和同步控制。

②UNI／O總線是一種單主型總線。主器件負責肩動和控制總線上的所有操作，決定總線的工作速度。主器件通常由單片機、ASIC等充當。

③UNI／O總線具有雙向通信能力。有主發(fā)送從接收和從發(fā)送主接收兩種工作方式。

④UNI／O總線速度為10～100kbps。

⑤UNI／O從器件必須具有空閑模式和待機模式，也可選擇具有保持模式。

1．2 UNI／O總線的幀格式

1．2．1 位值定義

由于采用的是曼徹斯特編碼，所以其位值由佗周期中間的信號跳變方向決定。UNI／O總線規(guī)定：從高到低的跳變是0，從低到高的跳變是1。

1．2．2 幀結構

在UNI／O總線上進行通信時，指令、數據和地址的傳送都以字節(jié)為單位。字節(jié)傳送時，高位在前，低位在后，前一個位之后立即傳輸下一個位，位與位之間沒有延遲。字節(jié)之后必須發(fā)送應答序列，進行主從應答。圖1給出了通常情況下使用的基本字節(jié)幀結構。

（1）主應答位

由主器件發(fā)送，取值為1或0。為1時稱之為MAK，MAK告知從器件指令執(zhí)行將繼續(xù)；為0時稱之為NoMAK，NoMAK用來結束當前指令，此后如有必要，從器件可以啟動相應的內部處理。

（2）從應答位

由被選定作為通信對象的從器件發(fā)送。該位為1時稱之為SAK，SAK表明其前面的操作已成功完成；非1時稱之為NoSAK。在從器件被選定之前，由于無從器件應答，從應答位應為NoSAK。在從器件被選定之后，NoSAK用來表明通信產生了錯誤。

另外，UNI／O總線也考慮了對主器件的中斷功能的支持。當主器件與具有保持模式的從器件進行通信時，如果主器件在下一個MAK位周期時間內持續(xù)拉低SCIO，從器件就進入了保持模式。要維持在保持模式應繼續(xù)使SCIO為低電平。當從器件處在保持模式時，主器件就可以進行對其他I／O設備的中斷處理工作，中斷處理結束后可通過發(fā)送MAK來終止保持過程，并繼續(xù)之前的通信。圖2給出了包含保持過程的字節(jié)幀結構。

1．3 UNI／O總線的命令序列

UNI／O總線的命令序列是指完成一條指令的執(zhí)行主從器件，需要在總線上傳送的各種信號和字節(jié)幀的有序組合。在UNI／O總線系統(tǒng)中，一條指令的執(zhí)行過程必須包括：總線準備、主從同步、從器件選擇、指令傳輸和指令執(zhí)行等環(huán)節(jié)。

1．3．1 總線定義的信號

（1）待機脈沖

待機脈沖是由主器件驅動SCIO到高電平狀態(tài)，并保持此狀態(tài)600μs以上形成的脈沖信號。待機脈沖通常用來通知總線上的所有從器件進入待機模式，也可以用來提前終止一條指令的執(zhí)行。在執(zhí)行一條指令時，如果是第一條指令，或者要選擇的從器件與上一條指令不同，或者上一條指令的執(zhí)行過程發(fā)生了錯誤，本條指令的執(zhí)行都必須從產生待機脈沖開始。

（2）TSS信號

TSS信號是由主器件驅動SCIO到高電平狀態(tài)，并保持此狀態(tài)10μs以上形成的脈沖信號。在一條指令成功執(zhí)行之后，若還要執(zhí)行下一條指令來對同一個從器件進行操作，則后一條指令執(zhí)行過程的第一步只需產生一個TSS信號，而不需要再產生待機脈沖。這樣，通信效率會更高。

1．3．2 特殊功能字節(jié)幀

（1）起始頭

起始頭用來使從器件進入正常工作模式，并同步從器件內的時鐘。起始頭由5μs以上的持續(xù)低電平脈沖和緊跟其后的8位編碼“01010 101”組成。所有的從器件都可以從起始頭中獲知位周期的長短，并以此為依據調整內部時鐘，實現主從同步。起始頭之后的主應答位應為MAK，從應答位正常情況應為NoSAK。

（2）地址幀

地址幀用于選擇總線上特定的從器件進行通信。從器件地址有8位和12位兩種類型，由4位系列碼和4位或8位從器件碼組成。8位地址的傳輸只需一個地址幀，正常情況，其應答序列由MAK和SAK組成。12位地址的傳輸需要兩個字節(jié)幀：高地址字節(jié)幀和緊跟其后的低地址字節(jié)幀。正常情況，低地址字節(jié)幀中的應答序列應該由MAK和SAK組成，高地址字節(jié)幀中的應答序列則由MAK和NoSAK組成。

（3）指令幀

指令幀用于傳送指令，由指令編碼和應答序列組成。指令及其編碼往各種UNI／O從器件中定義。指令幀中的主應答位應根據指令是否要求傳輸其他數據字節(jié)確定。當指令要求傳輸其他數據字節(jié)時，該位為MAK，否則為NoMAK。從應答位正常情況下為SAK。

1．3．3 UNI／O總線的命令序列

圖3所示的是用于執(zhí)行8位地址從器件指令的命令序列。其中字節(jié)幀的數量在總線規(guī)范中未進行限制，只要前一個字節(jié)幀中的主應答位為MAK就表示期望傳輸下一個字節(jié)幀。不過，字節(jié)幀的實際數量必須符合從器件指令的使用規(guī)范。在此前提下，可以由用戶程序根據其功能決定。用于執(zhí)行12位地址從器件指令的命令序列如圖4所示。

2 UNI／O從器件與單片機的接口設計

11XXX系列EEPROM是Microchip技術公司最新推出的、支持UNI／O總線協(xié)議的存儲器產品。下面就以該存儲器的使用為例，詳細介紹UNI／O總線系統(tǒng)的應用設計方法。

2．1 硬件設計

圖5給出了11XXX系列EEPROM與單片機的接口原理圖。圖中，SCIO引腳上接一個20 kΩ的上拉電阻是為了確保總線在上電／掉電序列期間以及未被驅動時處于空閑狀態(tài)。VCC和VSS之間接入一個0．1μF的去耦電容是為了濾除VCC上的噪聲。

2．2 軟件設計

2．2．1 UNI／O存儲器11XXX的操作指令

11XXX系列存儲器共有9條操作指令，其指令編碼和功能描述如表1所列。

2．2．2 UNI／O存儲器11XXX的高級特性

11XXX器件除了具有EEPROM存儲器的基本特性、支持UNI／O總線協(xié)議外，還有以下高級特性。這些高級特性也是編寫接口程序的基本依據。

（1）內置了一個狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器可以用來提供狀態(tài)信息和片內數據的保護控制。其各位的功能定義如下：

①Bit0。為寫進行位WIP，用于表明11XXX是否忙于寫操作。當它為1時，表明正在進行寫操作；為0時，表明沒有進行寫操作。此位只讀。要編寫高效率的寫存儲陣列程序，可采用WIP查詢來及時檢測寫周期的結束。

②Bit1。為寫使能鎖存器位WEL，用于表明寫使能鎖存器的狀態(tài)。當它為1時，鎖存器允許存儲陣列無保護塊和狀態(tài)寄存器的寫入操作；當置為0時，禁止寫入操作。只能使用WREN指令來將此位置1，但會在上電或成功執(zhí)行了以下指令之一時復位。這些指令包括：WRDI、WRSR、WRITE、SETAL和ERAL。

③Bit2～Bit3。是塊保護位BP0和BP1，用于表明當前哪些塊被寫保護。這些位可以由用戶通過WRSR指令進行設置。這些位是非易失性的。表2給出了利用BP0和BP1對存儲器進行分塊保護的方案。

④Bit4～Bit7。為無關位，讀出時為0。

（2）包含一個讀操作地址指針

在進行存儲陣列讀操作時，瀆操作地址指針會在每個字節(jié)發(fā)送后自動指向原地址加1的存儲單元。當到達最高地址時，如果主器件仍然發(fā)出MAK選擇繼續(xù)讀取，則地址指針的值會翻轉回到0x00地址處。在上電后，讀地址指針會保持上一次訪問的存儲單元的地址。

（3）支持頁寫功能

用WRITE指令可以向指定地址的存儲單元或者指定地址開始的存儲器區(qū)域寫入內容任意的數據。不過，在寫多個存儲單元時，必須限制在單個物理頁面內寫。物理頁邊界從頁大小（16字節(jié)）整數倍的地址開始，結束于頁大小的整數倍減1的地址。如果WRITE指令試圖跨越物理頁邊界進行，其結果是將超出頁邊界的數據寫回到當前頁的開始，即覆蓋先前存儲的數據，而不會如期望的那樣寫到下一貞。

2．2．3 UNI／O存儲器11XXX的讀寫程序

上電之后，由于11XXX處在關斷模式，而且總線處于高電平空閑狀態(tài)，所以主器件必須先在SCIO上產生一個高到低再到高的脈沖，使11XXX從關斷模式退出進入空閑模式，這樣11XXX才能按照命令序列所規(guī)定的流程響應總線上的其他信號，接收主器件發(fā)來的指令，并按指令要求完成規(guī)定的操作。

（1）寫程序流程

圖6是寫存儲陣列中未保護區(qū)塊的程序流程。圖中發(fā)送指令的操作可通過調用發(fā)送指令子程序來完成。圖7給出了發(fā)送指令程序流程。要寫存儲陣列中受保護的區(qū)塊，只需在執(zhí)行WREN指令之前，用WRSR指令對BP0、BP1進行相應的設置，以暫時解除待寫區(qū)塊的保護，并在程序的最后再用WRSR指令對它們進行恢復即可。要全地址空間置1或擦除，必須先解除對整個存儲陣列的保護并使能寫操作，再發(fā)送SETAL或ERAL指令，指令發(fā)送之后用NoMAK來啟動內部寫操作，內部操作完成之后恢復對存儲陣列的保護即可。

（2）讀程序流程

隨機讀存儲陣列的程序流程是：先發(fā)送READ指令，再發(fā)送待讀單元地址。先高地址字節(jié)，后低地址字節(jié)。然后，從器件就會將該地址中的數據送到總線上，主器件收到第一個數據字節(jié)后，若還要讀取更多的數據，可以發(fā)送應答信號MAK。之后，從器件用SAK應答，并送出下一個數據字節(jié)。若要結束讀操作，主器件只要發(fā)送NoMAK即可。

要從存儲陣列的當前位置讀取數據可用CRRD指令來進行操作，其程序流程除了不需要傳送存儲器單元地址外，其余操作步驟與READ相同。

結語

UNI／O總線只有一根信號線，對I／O端口的占用最少，可有效地減小嵌入式系統(tǒng)的體積并降低產品成本，具有廣闊的應用前景。

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