Ob Computerperipherie, Smart Appliances, Internet of Things (IoT)-Geräte oder elektronische Messgeräte – sie alle verwenden serielle Kommunikationsprotokolle, um verschiedene elektronische Komponenten miteinander zu verbinden.
Diese Komponenten bestehen normalerweise aus einem Mikrocontroller und Slave-Modulen wie einem Fingerabdrucksensor, einem ESP8266 (WLAN-Modul), Servos und seriellen Displays.
Diese Geräte verwenden verschiedene Arten von Kommunikationsprotokollen. Im Folgenden erfahren Sie mehr über einige der beliebtesten seriellen Kommunikationsprotokolle, wie sie funktionieren, ihre Vorteile und warum sie weiterhin verwendet werden.
Serielle Kommunikationsprotokolle gibt es seit der Erfindung des Morsecodes im Jahr 1838. Heute verwenden moderne serielle Kommunikationsprotokolle dieselben Prinzipien. Signale werden auf einem einzigen Draht erzeugt und übertragen, indem zwei Leiter wiederholt miteinander kurzgeschlossen werden. Dieser Short funktioniert wie ein Schalter; es schaltet sich ein (hoch) und aus (niedrig) und liefert binäre Signale. Wie dieses Signal gesendet und empfangen wird, hängt von der Art des verwendeten seriellen Kommunikationsprotokolls ab.
Bildquelle: shankar.s/ Wikimedia Commons
Mit der Erfindung des Transistors und den folgenden Innovationen machten Ingenieure und Tüftler gleichermaßen Prozessoreinheiten und Speicher kleiner, schneller und energieeffizienter. Diese Veränderungen erforderten, dass die Buskommunikationsprotokolle so technologisch fortgeschritten sind wie die zu verbindenden Komponenten. Somit die Erfindung von seriellen Protokollen wie UART, I2C und SPI. Obwohl diese seriellen Protokolle mehrere Jahrzehnte alt sind, werden sie immer noch für Mikrocontroller und Bare-Metal-Programmierung bevorzugt.
Das UART-Protokoll ist eines der ältesten und zuverlässigsten seriellen Kommunikationsprotokolle, die wir heute noch verwenden. Dieses Protokoll verwendet zwei Drähte, die als Tx (Senden) und Rx (Empfangen) bekannt sind, damit beide Komponenten kommunizieren.
Um Daten zu übertragen, müssen sowohl der Sender als auch der Empfänger mit fünf gängigen Konfigurationen übereinstimmen, diese sind:
Da UART ein asynchrones Protokoll ist, hat es keine eigene Uhr, die die Datenübertragungsgeschwindigkeit regelt. Als Alternative verwendet es die Baudrate für das Timing, wenn ein Bit übertragen wird. Die übliche Baudrate für UART ist 9600 Baud, was einer Übertragungsrate von 9600 Bits pro Sekunde entspricht.
Wenn wir rechnen und ein Bit durch 9600 Baud teilen, können wir berechnen, wie schnell ein Datenbit an den Empfänger übertragen wird.
1/9600 = 104 Mikrosekunden
Dies bedeutet, dass unsere UART-Geräte 104 Mikrosekunden zählen, um zu wissen, wann das nächste Bit übertragen wird.
Wenn UART-Geräte angeschlossen wurden, wird das Standardsignal immer auf hoch angehoben. Wenn er ein niederfrequentes Signal erkennt, beginnt der Empfänger mit dem Zählen von 104 Mikrosekunden plus weitere 52 Mikrosekunden, bevor er beginnt, die Bits in seinen Registern (Speicher) zu speichern.
Da bereits vereinbart wurde, dass acht Bits eine Datenlänge haben sollen, wird nach dem Speichern von acht Datenbits mit der Prüfung auf Parität begonnen, um zu prüfen, ob die Daten ungerade oder gerade sind. Nach der Paritätsprüfung wird das Stoppbit ein High-Signal auslösen, um den Geräten mitzuteilen, dass die gesamten acht Datenbits erfolgreich an den Empfänger übertragen wurden.
Als minimalistischstes serielles Protokoll mit nur zwei Drähten wird UART heute häufig in Smartcards, SIM-Karten und Autos verwendet.
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SPI ist ein weiteres beliebtes serielles Protokoll, das für schnellere Datenraten von etwa 20 Mbit/s verwendet wird. Es verwendet insgesamt vier Drähte, nämlich SCK (Serial Clock Line), MISO (Master Out Slave In), MOSI (Master In Slave Out) und SS/CS (Chip Select). Im Gegensatz zu UART verwendet SPI ein Master-to-Slave-Format, um mehrere Slave-Geräte mit nur einem Master zu steuern.
MISO und MOSI verhalten sich wie die Tx und Rx von UART, die zum Senden und Empfangen von Daten verwendet werden. Mit Chip Select wird ausgewählt, mit welchem Slave der Master kommunizieren möchte.
Da es sich bei SPI um ein synchrones Protokoll handelt, verwendet es eine integrierte Uhr des Masters, um sicherzustellen, dass sowohl die Master- als auch die Slave-Geräte auf derselben Frequenz laufen. Das bedeutet, dass die beiden Geräte keine Baudrate mehr aushandeln müssen.
Das Protokoll beginnt damit, dass der Master das Slave-Gerät auswählt, indem er sein Signal auf die spezifische SS/CK absenkt, die mit dem Slave-Gerät verbunden ist. Wenn der Slave ein Low-Signal empfängt, beginnt er, sowohl auf SCK als auch auf MOSI zu hören. Der Master sendet dann ein Startbit, bevor er die Bits sendet, die Daten enthalten.
Sowohl MOSI als auch MISO sind Vollduplex, d. h. sie können gleichzeitig Daten senden und empfangen.
Mit seiner Fähigkeit, sich mit mehreren Slaves zu verbinden, Vollduplex-Kommunikation und einem geringeren Stromverbrauch als andere synchrone Protokolle wie I2C, wird SPI in Speichergeräten, digitalen Speicherkarten, ADC-zu-DAC-Wandlern und Quarzspeicherdisplays verwendet.
I2C ist ein weiteres synchrones serielles Protokoll wie SPI, jedoch mit mehreren Vorteilen. Dazu gehören die Möglichkeit, mehrere Master und Slaves zu haben, eine einfache Adressierung (kein Chip Select erforderlich), der Betrieb mit verschiedenen Spannungen und die Verwendung von nur zwei Drähten, die mit zwei Pull-Up-Widerständen verbunden sind.
I2C wird häufig in vielen IoT-Geräten, Industrieanlagen und Unterhaltungselektronik verwendet.
Die beiden Pins in einem I2C-Protokoll sind der SDA (Serial Data Line), der Daten sendet und empfängt, und der SCL (Serial Clock Line)-Pin, der als Taktgeber fungiert.
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Mit dem Aufkommen von parallelen und vielen drahtlosen Protokollen hat die serielle Kommunikation nie an Popularität verloren. Im Allgemeinen verwenden serielle Protokolle nur zwei bis vier Drähte zum Senden und Empfangen von Daten und sind eine wesentliche Kommunikationsmethode für Elektronik, die nur wenige Ports übrig hat.
Ein weiterer Grund ist seine Einfachheit, die sich in Zuverlässigkeit niederschlägt. Mit nur wenigen Drähten, die Daten gleichzeitig senden, hat sich Serial als zuverlässig erwiesen, um vollständige Datenpakete ohne Verlust oder Beschädigung bei der Übertragung zu senden. Selbst bei hohen Frequenzen und Kommunikation über größere Entfernungen schlagen serielle Protokolle immer noch viele moderne parallele Kommunikationsprotokolle, die heute verfügbar sind.
Obwohl viele denken mögen, dass serielle Kommunikationen wie UART, SPI und I2C den Nachteil haben, alt und veraltet zu sein, bleibt die Tatsache, dass sie ihre Zuverlässigkeit über mehrere Jahrzehnte bewiesen haben. Protokolle, die so alt sind, dass sie keinen wirklichen Ersatz haben, suggerieren nur, dass sie tatsächlich unverzichtbar sind und auf absehbare Zeit auch in der Elektronik verwendet werden.
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