SoC接口技術之低速接口分析（上）

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UART

1.名詞解釋

UART：

全稱 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，中文可譯為通用異步收發器。

2.歷史由來

UART的發明是由于貝爾自己需要將一個電傳打印機（Teletype）連接到一個PDP-1，需要將并行信號轉換為串行信號。貝爾于是設計了一個使用大約50個獨立部件的電路。這個想法被證明是受歡迎的。當時西部數據公司（Western Digital）是一家制造計算機芯片的小公司，它設計了單芯片版的UART。

3.應用場景

UART當前常用于MCU的低速互聯，最少僅需要兩根信號連接（TXD和RXD），信號支持TTL電平，RS232電平或者RS422電平。UART為全雙工異步通信協議，最高支持115200bps的波特率（常用波特率為9600bps）。

4.協議解析

UART定義了一種串行傳輸協議，單次可傳輸一個字符，包含5到8bit有效數據（常采用7bit數據，ASCII）。

UART的一個字符除了包含有效數據位外，還包含起始位1bit，奇偶校驗位1bit和停止位1bit（也支持1.5bit或者2bit配置）。UART一次傳輸最多8bit有效數據而不是更多的原因是其設計標準收發兩端的頻率誤差在10%以內，當收到的數據為8bit時誤差控制在1bit內，保證了數據的采樣不會出錯。

5. 協議實現

UART接收使用高頻時鐘進行采樣，在最早的8086芯片中為兼顧速度和穩定性，常采用波特率的16倍時鐘進行采樣。當主時鐘頻率確定時，IC實現中可以通過設定波特率寄存器N實現任意波特率。

一個典型的UART接收器的狀態機設計如圖所示，在空閑狀態時接收機通過監測接收信號從1變0，確定接收的起始位。為消除通信線路噪聲的影響，只有連續接收到N/2個0后才認為這是一個真正的起始位，并開始在最佳采樣點（N/2時刻）采樣數據位。

6. 流程控制

UART的流控包括硬件流控和軟件流控兩種。

硬件流控基于RS232的兩個信號接口RTS(數據發送請求)和CTS(數據發送允許)，一端設備的RTS與另一端設備的CTS相連。RTS與CTS均為低電平有效，數據接收設備通過置低RTS接口通知發送設備的CTS接口，發送設備可以發送數據。

軟件流控通過帶內傳輸XOFF和XON信號，控制發送的起停。數據接收設備通過發送XOFF通知數據發送設備停止發送數據。數據接收設備通過發送XON通知發送設備繼續發送數據。

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SPI

1.名詞解釋

SPI 全稱 Serial Peripheral Interface，中文譯為串行外圍設備接口。

2.歷史由來

最早是由Motorola（摩托羅拉）公司開發的全雙工同步串行總線，常用于微控制器與外設之間的連接比如SD卡，液晶屏等外設。SPI沒有統一的協議規范，但由于其廣泛的使用，根據實際使用中大家通用的習慣形成了一個類似行規的標準,具體的應用需要實際參考特定器件手冊。

3.應用場景

SPI用于在單個主控制器和一個或多個從設備之間交換數據，譬如MCU與EEPROM、FLASH、AD轉換器的連接。SPI的兩端中提供時鐘的為Master，接收時鐘的為Slave。SPI最少采用四線連接，SCLK，SS，MOSI，MISO。SPI按幀進行數據交換，支持的字長不限于8bit，可根據應用特點靈活選擇消息字長。SPI是源同步時鐘協議，支持100MHz以上的高速時鐘。

4.協議解析

NSS電平由高變低，則產生起始信號；NSS電平由低變高，則產生停止信號。從機檢測到自己的NSS線電平被置低，則開始與主機進行通訊；反之，檢測到NSS電平被拉高，則停止通訊。

MOSI和MISO線在SCK的每個時鐘周期傳輸一位數據，開發者可以自行設置MSB或LSB先行，不過需要保證兩個通訊設備都使用同樣的協定。

根據SCK空閑狀態的電平（CPOL）和數據采樣時刻（CPHA）的不同，SPI有四種通訊模式。Master和Slave需要工作在相同的模式下才能正常通訊，Master的MOSI如果在SCK上升沿launch數據，Slave的MOSI需要在SCK的下降沿capture數據，反之亦然。

當CPHA=0時，Master需要在第一個SCK的邊沿出現前將數據在MOSI上準備好。

5. 協議實現

Motorola定義5類寄存器：

SPI Control Register 1 (SPICR1)控制寄存器1，極性控制，數據長度控制

SPI Control Register 2 (SPICR2)控制寄存器2

SPI Baud Rate Register (SPIBR)波特率寄存器

SPI Status Register (SPISR)狀態寄存器

SPI Data Register (SPIDR)數據寄存器

6. SPI讀寫

SPI讀寫每筆傳輸交換一幀數據，一幀數據的bit數據可以是8bit，16bit或者其他數量的bit。

SPI讀：片選---讀指令---地址---數據讀出

SPI寫：片選---寫指令---地址---數據寫入

7. DSPI和QSPI

DSPI和QSPI主要用于存儲器接口，其幀格式由存儲器定義。歸納下來，QSPI的傳輸分為兩種類型，第一種類型是傳統的SPI的單線傳輸，第二種是QSPI的四線傳輸。

第一種類型傳輸常用于狀態和控制寄存器的讀寫，譬如讀ID。該傳輸過程采用MOSI和MISO進行數據交換，一幀數據是46bit。此外，單線傳輸也支持數據的讀寫。

第二種類型的傳輸常用于數據的讀寫，譬如四線寫數據。該傳輸包含了兩個階段，第一個階段是命令和地址階段，第二個階段是數據傳輸階段。第一個階段，采用單線傳輸，通過MOSI向器件發送命令和地址。第二個階段，采用四線傳輸，通過四個IO向器件發送或者讀取數據。

此外，讀數據時在第一個階段和第二個階段中間會插入Dumy Clocks。

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JTATG

1.名詞解釋

JTAG，全稱Joint Test Action Group，中文名稱聯合測試行動組。

2.歷史由來

1990年JTAG正式由IEEE的1149.1-1990號文檔標準化，在1994年，加入了補充文檔對邊界掃描描述語言（BSDL）進行了說明。從那時開始，這個標準被全球的電子企業廣泛采用。邊界掃描幾乎成為了JTAG的同義詞。

3.應用場景

JTAG的基本原理是在器件內部定義一個TAP（Test Access Port，測試訪問口）通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試。當前JTAG協議也用來對芯片進行調試，JTAG通過器件內部的DAP（Debug Access Port，調試訪問）訪問內部總線。

JTAG最少使用四個信號，包括TCK，TRST，TMS，TDI和TDO，最高支持100MHz的串行數據傳輸。