UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

コンピューターの周辺機器、スマートアプライアンス、モノのインターネット(IoT)デバイス、電子測定ツールなど、すべてがシリアル通信プロトコルを使用してさまざまな電子コンポーネントを接続します。

これらのコンポーネントは通常、マイクロコントローラーと、指紋センサー、ESP8266(Wi-Fiモジュール)、サーボ、シリアルディスプレイなどのスレーブモジュールで構成されます。

これらのデバイスは、さまざまな種類の通信プロトコルを使用します。以下では、最も人気のあるシリアル通信プロトコルのいくつか、それらがどのように機能するか、それらの利点、およびそれらが使用され続ける理由について学習します。

シリアル通信とは?

シリアル通信プロトコルは、1838年にモールス信号が発明されて以来ずっとここにあります。今日、現代のシリアル通信プロトコルは同じ原理を使用しています。信号は、2つの導体を繰り返し短絡することにより、1本のワイヤで生成および送信されます。このショートはスイッチのように機能します。オン(高)とオフ(低)になり、バイナリ信号を提供します。この信号の送受信方法は、使用するシリアル通信プロトコルの種類によって異なります。

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

画像クレジット:shankar.s /ウィキメディアコモンズ

トランジスタの発明とそれに続く革新により、エンジニアといじくり回しは同様に、処理ユニットとメモリをより小さく、より速く、より電力効率の良いものにしました。これらの変更により、バス通信プロトコルは、接続されているコンポーネントと同じくらい技術的に進歩する必要がありました。したがって、UART、I2C、SPIなどのシリアルプロトコルの発明。これらのシリアルプロトコルは数十年前のものですが、マイクロコントローラやベアメタルプログラミングには依然として好まれています。

UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

UARTプロトコルは、現在でも使用されている最も古いが最も信頼性の高いシリアル通信プロトコルの1つです。このプロトコルは、両方のコンポーネントが通信するために、Tx(送信)およびRx(受信)と呼ばれる2本のワイヤーを使用します。

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

データを送信するには、送信機と受信機の両方が5つの一般的な構成に同意する必要があります。これらは次のとおりです。

  • ボー速度:データの送信速度の送信速度。
  • データ長:レシーバーがレジスターに保存する合意されたビット数。
  • スタートビット:データが転送されようとしていることを受信機に知らせる低信号。
  • ストップビット:最後のビット(最上位ビット)が送信されたことを受信者に知らせる高信号。
  • パリティビット:送信されたデータが正しいか破損しているかを確認するために使用される高信号または低信号。

UARTは非同期プロトコルであるため、データ転送速度を調整する独自のクロックはありません。別の方法として、ビットが送信されるタイミングにボーレートを利用します。UARTに使用される通常のボーレートは9600ボーで、これは9600ビット/秒の伝送速度を意味します。

計算を行い、1ビットを9600ボーで割ると、1ビットのデータが受信機に送信される速度を計算できます。

1/9600 = 104マイクロ秒

これは、UARTデバイスが104マイクロ秒のカウントを開始して、次のビットがいつ送信されるかを知ることを意味します。

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

UARTデバイスが接続されている場合、デフォルト信号は常にハイに上げられます。低周波信号を検出すると、受信機はビットをレジスタ(メモリ)に保存し始める前に、104マイクロ秒とさらに52マイクロ秒のカウントを開始します。

8ビットをデータ長にすることはすでに合意されているため、8ビットのデータを保存すると、パリティのチェックを開始して、データが奇数か偶数かをチェックします。パリティチェックの後、ストップビットはハイ信号を発生させ、8ビットのデータ全体が受信機に正常に送信されたことをデバイスに通知します。

UARTは、2本のワイヤのみを使用する最もミニマリストなシリアルプロトコルであるため、今日、スマートカード、SIMカード、および自動車で一般的に使用されています。

関連:SIMカードとは何ですか?知っておくべきこと

SPI(シリアルペリフェラルインターフェース)

SPIは、約20Mbpsの高速データレートに使用されるもう1つの一般的なシリアルプロトコルです。SCK(シリアルクロックライン)、MISO(マスターアウトスレーブイン)、MOSI(マスターインスレーブアウト)、SS / CS(チップセレクト)の合計4本のワイヤーを使用します。UARTとは異なり、SPIはマスターからスレーブへのフォーマットを使用して、1つのマスターのみで複数のスレーブデバイスを制御します。

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

MISOとMOSIは、データの送受信に使用されるUARTのTxとRxのように機能します。チップセレクトは、マスターが通信するスレーブを選択するために使用されます。

SPIは同期プロトコルであるため、マスターからの組み込みクロックを使用して、マスターデバイスとスレーブデバイスの両方が同じ周波数で実行されていることを確認します。これは、2つのデバイスがボーレートをネゴシエートする必要がなくなったことを意味します。

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

プロトコルは、マスターがスレーブデバイスに接続されている特定のSS / CKに信号を下げることにより、スレーブデバイスを選択することから始まります。スレーブがLow信号を受信すると、SCKとMOSIの両方のリッスンを開始します。次に、マスターはデータを含むビットを送信する前にスタートビットを送信します。

MOSIとMISOはどちらも全二重であるため、データの送受信を同時に行うことができます。

複数のスレーブに接続する機能、全二重通信、およびI2Cなどの他の同期プロトコルよりも消費電力が少ないSPIは、メモリデバイス、デジタルメモリカード、ADCからDACへのコンバータ、およびクリスタルメモリディスプレイで使用されます。

I2C(Inter-Integrated Circuit)

I2CはSPIのようなさらに別の同期シリアルプロトコルですが、それに比べていくつかの利点があります。これらには、複数のマスターとスレーブを持つ機能、単純なアドレス指定(チップセレクトの必要なし)、さまざまな電圧での動作、2つのプルアップ抵抗に接続された2本のワイヤーのみの使用が含まれます。

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

I2Cは、多くのIoTデバイス、産業機器、および家庭用電化製品でよく使用されます。

I2Cプロトコルの2つのピンは、データを送受信するSDA(シリアルデータライン)ピンと、クロックとして機能するSCL(シリアルクロックライン)ピンです。

UART、SPI、およびI2Cシリアル通信の仕組みと、それらを引き続き使用する理由

  1. プロトコルは、マスターがSDAピンからスタートビット(ロー)を送信することから始まり、スレーブを選択する7ビットのアドレスと、読み取りまたは書き込みを選択するための1ビットが続きます。
  2. スタートビットとアドレスを受信した後、スレーブはマスターに確認応答ビットを送信し、着信送信のSCLとSDAのリッスンを開始します。
  3. マスターはこれを受信すると、正しいスレーブへの接続が確立されたことを認識します。マスターは、スレーブからアクセスする特定のレジスタ(メモリ)を選択します。これは、使用するレジスタを指定する別の8ビットを送信することによって行われます。
  4. アドレスを受信すると、スレーブはマスターに別の確認応答を送信する前に選択レジスタを準備します。
  5. どの特定のスレーブとどのレジスタを使用するかを選択すると、マスターは最終的にデータビットをスレーブに送信します。
  6. データが送信された後、マスターがストップビット(ハイ)で終了する前に、最後の確認応答ビットがマスターに送信されます。

関連:最高のArduinoIoTプロジェクト

シリアル通信が定着する理由

パラレルおよび多くのワイヤレスプロトコルの台頭により、シリアル通信の人気が衰えることはありません。一般に、データの送受信に2〜4本のワイヤのみを使用するシリアルプロトコルは、予備のポートが数個しかない電子機器にとって不可欠な通信モードです。

もう1つの理由は、信頼性につながるシンプルさです。一度に数本のワイヤでデータを送信するだけで、シリアルは、送信時に損失や破損なしにデータの完全なパケットを送信する信頼性を証明しています。高周波および長距離通信でも、シリアルプロトコルは、今日利用可能な多くの最新のパラレル通信プロトコルを上回っています。

UART、SPI、I2Cなどのシリアル通信には古くて時代遅れであるという欠点があると多くの人が考えるかもしれませんが、数十年にわたって信頼性が証明されているという事実は変わりません。実際の代替品なしでこれほど古いプロトコルは、それらが実際に不可欠であり、予見可能な将来にわたって電子機器で使用され続けることを示唆しているにすぎません。


力と触覚フィードバックはどのようにゲームをより没入型にするのですか?

力と触覚フィードバックはどのようにゲームをより没入型にするのですか?

私たちのゲームの楽しみの大部分は没入感であり、まるで実際にそこにいるかのように仮想世界を掘り下げることができます。没入感を高めることができるものの1つは、現実世界の物理的なタッチのシミュレーションであり、仮想世界に近づきます。

ビットマップ画像とは何ですか?

ビットマップ画像とは何ですか?

ほとんどの人にとって、デジタルメディアはあなたの日常生活の一部です。しかし、私たちはそれがどのように作成されるかについて常に考えているわけではありません。

スキルシェアとは何ですか?

スキルシェアとは何ですか?

あなたはインターネットで多くを学ぶことができます。しかし、これらの中程度の記事やYouTubeビデオでは不十分だと思ったことはありませんか。特に実践的なスキルに関しては、それらのリソースが必ずしもそれを削減するとは限りません。

クラウドファンディングとは何ですか?キックスターターキャンペーンを信頼できますか?

クラウドファンディングとは何ですか?キックスターターキャンペーンを信頼できますか?

Kickstarter、Indiegogo、Unbound、Blurb ...最近のクラウドファンディングキャンペーンの機会は膨大です。しかし、Kickstarterでプロジェクトを支援したことがなく、クラウドファンディングとは何かを本当に知らない場合、またはクラウドファンディングの信頼性に懸念がある場合は、ここでお手伝いします。

IaaSとPaaSとSaaS:違いは何ですか?

IaaSとPaaSとSaaS:違いは何ですか?

クラウドサービスは、最高のインターネットイノベーションの1つです。

XboxシリーズXとPS5:テラフロップスが最も多いのはどれですか?

XboxシリーズXとPS5:テラフロップスが最も多いのはどれですか?

新しいコンソール世代が私たちに迫っています。PlayStation 5とXboxシリーズXの登場は、コンソールゲームの次のステップを示しています。ご想像のとおり、ゲーマーはどちらのコンソールが優れているか知りたいですか?近い将来、どのゲームオプションがあなたの支出に見合う最高の価値を提供しますか?

グルーポンはどのように機能し、それは合法ですか?

グルーポンはどのように機能し、それは合法ですか?

クーポンや割引バウチャーは、海運や現代の小売店が持っている限りずっと存在しています。人々がオンラインショッピングにシフトしたからといって、お金を節約するために次善の取引を探すのをやめるわけではありません。

車にドライブレコーダーを取り付ける方法

車にドライブレコーダーを取り付ける方法

あなたがダッシュカムを持っているならば、それを合わせるのは少し雑用のように思えるかもしれません。場合によっては、それはあなたが望むほど単純ではありませんが、あなたの車にダッシュカムをインストールすることはあなたがそれに費やす毎分価値があります。

2軸ジンバルと3軸ジンバルの違いは何ですか?

2軸ジンバルと3軸ジンバルの違いは何ですか?

ジンバルは、カメラを安定させることにより、最高品質の映像を取得するのに役立ちます。スマートフォン、カメラ、またはその両方のハンドヘルドデバイスを入手できます。また、ジンバルが組み込まれたドローンを見つけて、入手できる最も安定した空中映像を提供することもできます。

オーディオリターンチャンネル(ARC)とは何ですか?

オーディオリターンチャンネル(ARC)とは何ですか?

1つまたは2つ以上のデバイスをテレビに接続しようとしたことがあれば、ホームシアターの問題がどれほど早く複雑になるかをご存知でしょう。HDMIケーブルを使用すると接続が多少簡単になりますが、解決しようとした問題とほぼ同じ数の問題が発生しました。

限定シリーズはNetflixで何を意味しますか?

限定シリーズはNetflixで何を意味しますか?

Netflixを閲覧していると、一部の番組で限定シリーズの説明に出くわしたことがあるでしょう。これはNetflixのどこにも説明されていないため、少し混乱します。

音楽ストリーミングサービスの説明:Spotifyはどのようにお金を稼ぐのですか?

音楽ストリーミングサービスの説明:Spotifyはどのようにお金を稼ぐのですか?

Spotifyは間違いなく世界最大の音楽ストリーミングサービスです。プレミアムプランでSpotifyの料金を支払うか、支払わないかのどちらかです。あなたがより少なく支払う学生プラン、他の誰かが支払う家族プラン、またはあなたがあなたの音楽の間に広告休憩を入れてストリーミングする無料オプションがあります。

DNS_PROBE_FINISHED_NXDOMAINエラーを修正する方法

DNS_PROBE_FINISHED_NXDOMAINエラーを修正する方法

Webサイトにアクセスしようとしているときに、DNS_PROBE_FINISHED_NXDOMAINというエラーが表示されますか?このエラーは実際にはDNS設定に関連しており、コンピューターのあちこちでいくつかのDNSオプションを変更することで修正できます。

スマートテレビとは何ですか?スマートテレビで何ができますか?

スマートテレビとは何ですか?スマートテレビで何ができますか?

私たちが住んでいる時代の注目すべき効果は、すべての新しいテクノロジーやアプライアンスが「スマート」になったことです。現在、元の使用に必要な機能よりも多くの機能を備えて設計されたデバイスがあります。電話は通信機器としてだけでなく、メディアや写真撮影ツールとしても機能します。時計は時間を伝えるだけでなく、フィットネスレベルを追跡し、メディアデバイスとして機能します。

ネットいじめとは何ですか?どのように対処できますか?

ネットいじめとは何ですか?どのように対処できますか?

インターネットは、良くも悪くも、これまで以上に多くの人々が接続することを可能にしました。人々が建設的で楽しい目的でインターネットを使用するのと同じように、他の人々はインターネットを使用して新しい種類のいじめ、つまりネットいじめを実行します。

ブロックチェーンのトリレンマとは何ですか?

ブロックチェーンのトリレンマとは何ですか?

2009年のビットコインの発売以来、ブロックチェーン技術は世界に革命を起こす可能性があることを証明しており、その日のうちに新しいユースケースが発見されています。ただし、ブロックチェーンテクノロジーはまだ揺籃期にあり、広く採用される前にいくつかの課題を克服する必要があります。

Replikaの詳細:私のAIフレンド

Replikaの詳細:私のAIフレンド

Replika:私のAIフレンドは他とは違うアプリです。チャットボットを備えたほとんどのアプリはそれらを仮想アシスタントとして使用しますが、Replikaはチャットボットを(ご想像のとおり)友人として販売しています。

スマートシューズ:それらは何ですか?あなたはそれらを買うことができますか?

スマートシューズ:それらは何ですか?あなたはそれらを買うことができますか?

私たちは皆、良い靴が大好きです。それらは私たちの日常生活に欠かせないものです。しかし、私たちが靴について考えるとき、テクノロジーは本当に頭に浮かぶものではありません。さて、スマートシューズで、ファッションとテクノロジーが真ん中で出会う。それで、スマートシューズとは何ですか、そしてあなたは今それらを買うことができますか?

DNS over HTTPS:暗号化されたDNSは遅いですか?

DNS over HTTPS:暗号化されたDNSは遅いですか?

適切なインターネット接続とセキュリティプロトコルを選択する場合、実装の容易さと便利さ、データの安全性、全体的な接続速度など、多くの要因が決定に影響を与える可能性があります。

あなたがよだれを垂らすだろうiPhoneのための8つの最高のBluetoothキーボード

あなたがよだれを垂らすだろうiPhoneのための8つの最高のBluetoothキーボード

親指だけで入力するのが嫌いですか?タッチキーボードよりも優れているiPhone用のさまざまなBluetoothキーボードをチェックしてください。続きを読む。

25ドル以下の5つの最高の安いラップトップスタンド

25ドル以下の5つの最高の安いラップトップスタンド

自宅での経験から仕事を向上させたいですか?人間工学に基づいた快適さを向上させるために、これらの機能が豊富で安価なラップトップスタンドをチェックしてください。

より良い体験のためにPS5DNS設定を変更する方法

より良い体験のためにPS5DNS設定を変更する方法

カスタムDNSを使用することには、ISPから提供されたものよりも多くの利点があります。ここでは、いくつかの簡単な手順でPS5DNS設定を変更する方法を説明します。

EchoShowにSkype通話をインストールして発信する方法

EchoShowにSkype通話をインストールして発信する方法

Echoデバイスにはネイティブの呼び出しがあります。しかし、ほとんどの連絡先にEchoデバイスまたはAlexaアプリがない場合はどうなりますか?ありがたいことに、EchoShowsはSkype通話もサポートしています。

FitbitVersaの9つの修正がオンにならない

FitbitVersaの9つの修正がオンにならない

Fitbit Versaの時計が充電されていないか、黒い画面で動かなくなっていませんか?FitbitVersaがオンにならない問題を修正する方法を学びます。

Apple Watch、Galaxy Watch、MiBandの心拍数モニターをオフにします

Apple Watch、Galaxy Watch、MiBandの心拍数モニターをオフにします

心拍数センサーは、スマートウェアラブルのバッテリーを大量に消費します。Galaxy Watch、Apple Watch、MiBandで自動心拍数モニターを無効にします。

何にでも取り付けるのに最適な7つのAppleAirTagアクセサリ

何にでも取り付けるのに最適な7つのAppleAirTagアクセサリ

最高のAppleAirTagアクセサリをお探しですか?これは、ほとんど何にでも取り付けることができるAirTag用のいくつかのクールなアクセサリのリストです。

私のCPUにはいくつのコアがありますか?すべてのOSのガイド

私のCPUにはいくつのコアがありますか?すべてのOSのガイド

Windows、MacOS、Android、またはiOSデバイスに搭載されているコアの数がわかりませんか?調べる方法はいくつかあります。

画面の問題でMacBookProの水平線を修正する方法(2016モデル)

画面の問題でMacBookProの水平線を修正する方法(2016モデル)

MacBook Proの画面に横線が表示されていますか?ここでは、問題のトラブルシューティングと解決策を見つけるためのステップバイステップガイドを示します。

ソニーWH-1000XM4レビュー:再びステラノイズキャンセル

ソニーWH-1000XM4レビュー:再びステラノイズキャンセル

WH1000-XM3とWH1000-XM4の間で混乱している場合は、ここに私の完全なレビューとその質問への回答があります。