Giao thức I2C

I2C, hay Mạch Tích hợp Liên thông, là một giao thức truyền thông đơn giản thường được sử dụng trong các hệ thống nhúng để truyền dữ liệu giữa một thiết bị chủ (hoặc nhiều thiết bị chủ) và một thiết bị tớ (hoặc nhiều thiết bị tớ). I2C là một bus nối tiếp hai dây, hai chiều, sử dụng các đường xung nhịp nối tiếp (SCL) và dữ liệu nối tiếp (SDA) để truyền và xử lý dữ liệu từng bit giữa các thiết bị được kết nối với bus.

Trong hoạt động I2C, thiết bị chủ điều khiển việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị. Thiết bị chủ ra hiệu cho thiết bị tớ gửi dữ liệu hoặc yêu cầu phản hồi. Để đạt được điều này, tất cả các thiết bị tớ phải có một địa chỉ duy nhất, được bao gồm trong thông điệp I2C.

Khi dữ liệu được truyền qua bus, mỗi thông điệp I2C chứa một khung địa chỉ thiết bị slave và ít nhất một khung dữ liệu chứa dữ liệu đang được truyền. Thông điệp cũng chứa các điều kiện bắt đầu và dừng, các bit đọc/ghi từ thiết bị master hoặc slave, và các bit ACK/NACK được gửi từ thiết bị nhận để kiểm tra lỗi.

I2C được coi là đồng bộ, nghĩa là nó hoạt động bằng tín hiệu xung nhịp nối tiếp. Tín hiệu xung nhịp được điều khiển bởi thiết bị chủ, cho phép các bit đầu ra được đồng bộ hóa với tín hiệu xung nhịp được lấy mẫu giữa thiết bị chủ và thiết bị tớ.

Tốc độ truyền dữ liệu chuẩn của giao thức I2C là 100 kbps, mặc dù tốc độ dữ liệu cao tới 5 Mbps có thể đạt được với các thiết bị I2C được cấu hình ở "chế độ nhanh" hoặc "chế độ siêu nhanh".

Giao thức SPI

SPI, hay Giao diện Ngoại vi Nối tiếp, là một giao thức truyền thông nối tiếp thường được sử dụng trong các hệ thống nhúng để trao đổi dữ liệu tốc độ cao giữa các thiết bị trên bus. Giao thức này hoạt động theo mô hình chủ-tớ, bao gồm ít nhất bốn tín hiệu: tín hiệu xung nhịp (SCLK), tín hiệu chủ-ra/đầu vào thứ cấp (MOSI), tín hiệu chủ-ra/đầu ra thứ cấp (MISO) và tín hiệu chọn nô lệ (SS). Các tín hiệu SCLK, MOSI và MISO được chia sẻ bởi tất cả các thiết bị trên bus. Tín hiệu SCLK được tạo ra bởi thiết bị chủ để đồng bộ hóa, trong khi các đường MOSI và MISO được sử dụng để trao đổi dữ liệu. Ngoài ra, mỗi thiết bị tớ được thêm vào bus đều có đường SS riêng, với thiết bị chủ kéo đường SS của thiết bị tớ xuống mức thấp để chọn thiết bị giao tiếp.

Giao tiếp SPI hỗ trợ giao tiếp toàn song công, nghĩa là cả thiết bị chủ và thiết bị tớ đều có thể truyền dữ liệu đồng thời.

Bản thân việc trao đổi dữ liệu không có giao thức được xác định trước, khiến SPI trở nên lý tưởng cho các ứng dụng phát trực tuyến. Nó cũng không có tốc độ cao nhất, chỉ đạt tốc độ dữ liệu trên 100 MHz.

Hiểu về UART

UART, hay Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, là một mạch vật lý trong vi điều khiển hoặc mạch tích hợp đơn (IC) được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp giữa các thiết bị trong hệ thống nhúng. Về cơ bản, mục đích chính của UART là truyền và nhận dữ liệu nối tiếp.

Trong giao tiếp UART, hai UART giao tiếp trực tiếp với nhau. UART trên thiết bị gửi, hay còn gọi là UART máy phát, nhận dữ liệu song song từ CPU (vi xử lý hoặc vi điều khiển) và chuyển đổi thành dữ liệu nối tiếp. Dữ liệu nối tiếp này sau đó được gửi đến UART trên thiết bị nhận, hay còn gọi là UART máy thu. UART máy thu sau đó chuyển đổi dữ liệu nối tiếp nhận được trở lại thành dữ liệu song song và gửi đến CPU. Điều này cho phép UART chuyển đổi dữ liệu nối tiếp thành dữ liệu song song và song song thành dữ liệu nối tiếp. Các thanh ghi dịch được sử dụng trên cả UART máy phát và máy thu.

Trong giao tiếp UART, chỉ cần hai dây để giao tiếp: dữ liệu chạy từ chân Tx của UART truyền (Transmitter Tx) đến chân Rx của UART nhận (Receiver Rx).

Dữ liệu UART được truyền qua bus theo từng gói. Mỗi gói bao gồm một bit bắt đầu, một khung dữ liệu, một bit chẵn lẻ và một bit dừng. Bit chẵn lẻ này được sử dụng như một cơ chế kiểm tra lỗi để giúp đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

UART được coi là "phổ thông" vì các nhà phát triển có thể cấu hình các thông số như tốc độ truyền dữ liệu và thông lượng dữ liệu. UART hỗ trợ truyền dữ liệu hai chiều, bao gồm hoạt động bán song công và song công toàn phần. Chúng cũng không đồng bộ, nghĩa là không sử dụng tín hiệu xung nhịp để đồng bộ hóa các bit đầu ra từ UART gửi đến các bit được lấy mẫu trên UART nhận. Nếu không có tín hiệu xung nhịp, UART nhận và UART gửi phải sử dụng cùng tốc độ truyền, hay còn gọi là tốc độ bit, cho phép hệ thống biết vị trí và thời điểm các bit được định thời.

So sánh giao tiếp I2C, SPI và UART

SPI so với I2C

Đặc biệt, các giao thức I2C và SPI thường được so sánh với các giao thức truyền thông nối tiếp do tính đơn giản, chi phí thấp và thực tế là cả hai đều sử dụng kiến ​​trúc chủ/tớ, bao gồm tín hiệu xung nhịp do chủ điều khiển để đồng bộ hóa. Mặc dù có những điểm tương đồng này, chúng cũng có một số điểm khác biệt và thường phù hợp hơn với một số ứng dụng nhúng nhất định.

I2C sử dụng giao diện hai dây, trong đó các thiết bị slave chia sẻ dữ liệu và đường clock. Nhờ đó, việc thêm nhiều thiết bị vào bus trở nên dễ dàng và giảm độ phức tạp của mạch. I2C cũng cung cấp khả năng kiểm soát luồng và xử lý lỗi, giúp giao thức này trở nên đáng tin cậy hơn. I2C có thể hỗ trợ nhiều master trong một cấu hình, trong khi SPI chỉ có thể hỗ trợ một master duy nhất.

I2C thường là lựa chọn tốt để kết nối các thiết bị tốc độ thấp, tầm ngắn như vi điều khiển, EEPROM, giao diện I/O và các thiết bị ngoại vi khác như cảm biến trong hệ thống nhúng.

SPI cung cấp tốc độ cao hơn I2C. Trình điều khiển đẩy-kéo của nó mang lại tốc độ và tính toàn vẹn tín hiệu tốt hơn, và hỗ trợ song công toàn phần cho phép các thiết bị chủ và thiết bị tớ truyền dữ liệu đồng thời, giúp trao đổi dữ liệu nhanh hơn. Mặc dù SPI có lợi thế về tốc độ, việc thêm nhiều thiết bị tớ vào bus rất khó khăn và tốn kém, vì mỗi thiết bị tớ phải có đường truyền chọn thiết bị tớ riêng, làm tăng số lượng đường truyền cần thiết để giao tiếp giữa mỗi thiết bị.

SPI thường được sử dụng để giao tiếp các thiết bị tầm gần trong các hệ thống nhúng, nhưng nó cũng lý tưởng cho các ứng dụng bộ nhớ. Ví dụ, nhiều thiết bị bộ nhớ, chẳng hạn như thẻ SD, thẻ đa phương tiện, EEPROM và bộ nhớ flash, sử dụng SPI để lưu trữ dữ liệu có thể dễ dàng xóa/ghi lại khi cần.

UART so với I2C so với SPI

Không giống như các giao thức truyền thông như I2C và SPI, UART là một mạch vật lý, trong khi SPI và I2C sử dụng sơ đồ chủ/tớ để điều khiển thiết bị và truyền dữ liệu. Giao tiếp UART kết nối hai thiết bị UART với nhau để gửi và nhận dữ liệu. Nó cũng không hoạt động bằng tín hiệu xung nhịp, vì vậy tốc độ truyền của mỗi UART cần phải nằm trong khoảng 10% để tránh mất dữ liệu.

Bất chấp những khác biệt này, UART vẫn có một số điểm tương đồng với I2C và SPI. Ví dụ, cả I2C và UART đều sử dụng giao diện hai dây để truyền và nhận dữ liệu, và thường lý tưởng cho việc truyền dữ liệu tốc độ thấp. UART và I2C cũng chia sẻ các cơ chế kiểm tra lỗi chung để giúp đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu, trong đó I2C sử dụng bit ACK/NACK và UART sử dụng bit chẵn lẻ để phân biệt bất kỳ thay đổi nào về dữ liệu trong quá trình truyền.

Ngoài ra, cả UART và SPI đều hỗ trợ giao tiếp song công toàn phần và không hỗ trợ cấu hình đa chủ. Tuy nhiên, SPI nhanh hơn nhiều so với UART và I2C.

UART thường được sử dụng làm định dạng giao tiếp giữa các thiết bị trong ứng dụng máy tính và vi điều khiển.