UART, SPI 및 I2C 직렬 통신 작동 방식 및 여전히 사용하는 이유

컴퓨터 주변 장치, 스마트 기기, 사물 인터넷(IoT) 장치 또는 전자 측정 도구 등 모두 직렬 통신 프로토콜을 사용하여 서로 다른 전자 부품을 연결합니다.

이러한 구성 요소는 일반적으로 지문 센서, ESP8266(Wi-Fi 모듈), 서보 및 직렬 디스플레이와 같은 마이크로 컨트롤러 및 슬레이브 모듈로 구성됩니다.

이러한 장치는 다양한 종류의 통신 프로토콜을 사용합니다. 아래에서 가장 널리 사용되는 직렬 통신 프로토콜, 작동 방식, 장점 및 계속 사용되는 이유에 대해 알아봅니다.

직렬 통신이란 무엇입니까?

직렬 통신 프로토콜은 1838년 모스 부호가 발명된 이후로 계속 여기에 있었습니다. 오늘날 현대 직렬 통신 프로토콜은 동일한 원리를 사용합니다. 신호는 두 개의 도체를 반복적으로 단락시켜 단일 와이어에서 생성 및 전송됩니다. 이 단락은 스위치처럼 작동합니다. 켜짐(높음) 및 꺼짐(낮음)으로 이진 신호를 제공합니다. 이 신호가 전송 및 수신되는 방식은 사용되는 직렬 통신 프로토콜의 유형에 따라 다릅니다.

이미지 크레디트: shankar.s/ Wikimedia Commons

트랜지스터의 발명과 뒤이은 혁신으로 엔지니어와 땜장이는 모두 처리 장치와 메모리를 더 작고 빠르며 전력 효율적으로 만들었습니다. 이러한 변화로 인해 버스 통신 프로토콜은 연결되는 구성 요소만큼 기술적으로 발전해야 했습니다. 따라서 UART, I2C 및 SPI와 같은 직렬 프로토콜의 발명. 이러한 직렬 프로토콜은 수십 년이 지났지만 여전히 마이크로컨트롤러 및 베어메탈 프로그래밍에 선호됩니다.

UART(범용 비동기식 수신기-송신기)

UART 프로토콜은 오늘날 우리가 여전히 사용하는 가장 오래되었지만 가장 안정적인 직렬 통신 프로토콜 중 하나입니다. 이 프로토콜은 두 구성 요소가 통신하기 위해 Tx(전송) 및 Rx(수신)로 알려진 두 개의 와이어를 사용합니다.

데이터를 전송하려면 송신기와 수신기 모두 다음과 같은 5가지 공통 구성에 동의해야 합니다.

• Baud Speed: 데이터가 전송되는 속도의 전송 속도.
• 데이터 길이: 수신기가 레지스터에 저장할 합의된 비트 수.
• 시작 비트: 수신기에 데이터가 전송되려는 시기를 알려주는 낮은 신호입니다.
• 정지 비트: 마지막 비트(최상위 비트)가 전송되었을 때 수신기에 알리는 높은 신호입니다.
• 패리티 비트: 전송된 데이터가 정확하거나 손상되었는지 확인하는 데 사용되는 높음 또는 낮음 신호입니다.

UART는 비동기식 프로토콜이기 때문에 데이터 전송 속도를 조절하는 자체 클럭이 없습니다. 대안으로 비트가 전송될 때 타이밍을 위해 전송 속도를 활용합니다. UART에 사용되는 일반적인 전송 속도는 9600 보드이며 이는 초당 9600비트의 전송 속도를 의미합니다.

수학을 하고 1비트를 9600보드로 나누면 1비트의 데이터가 수신기로 전송되는 속도를 계산할 수 있습니다.

1/9600 = 104마이크로초

이것은 UART 장치가 다음 비트가 언제 전송될지 알기 위해 104마이크로초를 계산하기 시작한다는 것을 의미합니다.

UART 장치가 연결되면 기본 신호는 항상 높음으로 올라갑니다. 저주파 신호를 감지하면 수신기는 레지스터(메모리)에 비트를 저장하기 시작하기 전에 104마이크로초에 추가로 52마이크로초를 계산하기 시작합니다.

8비트는 데이터 길이로 이미 합의되었으므로 8비트의 데이터를 저장한 후에는 데이터가 홀수인지 짝수인지 확인하기 위해 패리티 검사를 시작합니다. 패리티 검사 후 정지 비트는 전체 8비트 데이터가 수신기로 성공적으로 전송되었음을 장치에 알리기 위해 높은 신호를 발생시킵니다.

2개의 전선만을 사용하는 가장 미니멀한 직렬 프로토콜인 UART는 오늘날 스마트 카드, SIM 카드 및 자동차에서 일반적으로 사용됩니다.

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SPI(직렬 주변기기 인터페이스)

SPI는 약 20Mbps의 더 빠른 데이터 속도에 사용되는 또 다른 인기 있는 직렬 프로토콜입니다. SCK(Serial Clock Line), MISO(Master Out Slave In), MOSI(Master In Slave Out), SS/CS(Chip Select) 총 4개의 전선을 사용합니다. UART와 달리 SPI는 마스터 대 슬레이브 형식을 사용하여 하나의 마스터로 여러 슬레이브 장치를 제어합니다.

MISO 및 MOSI는 UART의 Tx 및 Rx가 데이터를 송수신하는 데 사용되는 것과 같은 역할을 합니다. 칩 선택은 마스터와 통신하려는 슬레이브를 선택하는 데 사용됩니다.

SPI는 동기식 프로토콜이므로 마스터의 내장 클록을 사용하여 마스터와 슬레이브 장치가 동일한 주파수에서 실행되도록 합니다. 이는 두 장치가 더 이상 전송 속도를 협상할 필요가 없음을 의미합니다.

프로토콜은 마스터가 슬레이브 장치에 연결된 특정 SS/CK로 신호를 낮추어 슬레이브 장치를 선택하는 것으로 시작합니다. 슬레이브가 낮은 신호를 수신하면 SCK와 MOSI를 모두 수신하기 시작합니다. 그런 다음 마스터는 데이터가 포함된 비트를 보내기 전에 시작 비트를 보냅니다.

MOSI와 MISO는 모두 전이중 방식으로 데이터를 동시에 송수신할 수 있습니다.

여러 슬레이브에 연결할 수 있는 기능, 전이중 통신 및 I2C와 같은 다른 동기 프로토콜보다 낮은 전력 소비를 통해 SPI는 메모리 장치, 디지털 메모리 카드, ADC-DAC 변환기 및 수정 메모리 디스플레이에 사용됩니다.

I2C(집적회로간)

I2C는 SPI와 같은 또 다른 동기 직렬 프로토콜이지만 몇 가지 장점이 있습니다. 여기에는 여러 개의 마스터와 슬레이브를 가질 수 있는 기능, 간단한 주소 지정(칩 선택이 필요 없음), 다양한 전압으로 작동하는 기능, 두 개의 풀업 저항에 연결된 두 개의 와이어만 사용하는 기능이 포함됩니다.

I2C는 종종 많은 IoT 장치, 산업 장비 및 소비자 전자 제품에 사용됩니다.

I2C 프로토콜에서 두 개의 핀은 데이터를 송수신하는 SDA(Serial Data Line) 핀과 클럭 역할을 하는 SCL(Serial Clock Line) 핀입니다.

1. 프로토콜은 마스터가 SDA 핀에서 시작 비트(낮음)를 보내는 것으로 시작하고 슬레이브를 선택하는 7비트 주소와 읽기 또는 쓰기를 선택하기 위한 1비트가 뒤따릅니다.
2. 시작 비트와 주소를 수신한 후 슬레이브는 승인 비트를 마스터로 보내고 들어오는 전송에 대해 SCL 및 SDA를 수신하기 시작합니다.
3. 마스터가 이것을 수신하면 올바른 슬레이브에 연결되었음을 알 수 있습니다. 마스터는 이제 액세스하려는 슬레이브에서 특정 레지스터(메모리)를 선택합니다. 사용할 레지스터를 지정하는 또 다른 8비트를 전송하여 수행합니다.
4. 주소를 수신하면 슬레이브는 마스터에 다른 승인을 보내기 전에 선택 레지스터를 준비합니다.
5. 어떤 특정 슬레이브와 어떤 레지스터를 사용할 것인지 선택하면 마스터는 마침내 데이터 비트를 슬레이브로 보냅니다.
6. 데이터가 전송된 후 마스터가 정지 비트(높음)로 끝나기 전에 최종 승인 비트가 마스터로 전송됩니다.

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직렬 통신이 유지되는 이유

병렬 및 많은 무선 프로토콜의 등장으로 직렬 통신의 인기가 떨어졌습니다. 일반적으로 데이터 송수신에 2~4개의 와이어만 사용하는 직렬 프로토콜은 몇 개의 포트만 남겨둔 전자 제품의 필수 통신 모드입니다.

또 다른 이유는 신뢰성으로 해석되는 단순성입니다. 한 번에 한 번만 데이터를 보내는 몇 개의 전선으로 직렬은 전송 시 손실이나 손상 없이 완전한 데이터 패킷을 보내는 신뢰성을 입증했습니다. 고주파수 및 장거리 통신에서도 직렬 프로토콜은 오늘날 사용 가능한 많은 최신 병렬 통신 프로토콜을 능가합니다.

많은 사람들이 UART, SPI, I2C와 같은 직렬 통신이 오래되고 구식이라는 단점이 있다고 생각할 수 있지만 수십 년 동안 그 신뢰성을 입증했다는 사실은 여전합니다. 실제 교체 없이 이렇게 오래된 프로토콜은 실제로 필수 불가결한 프로토콜이며 가까운 장래에 전자 제품에서 계속 사용될 것임을 시사합니다.