通信

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串口软件协议栈

  • 应用层：UART、ModbusRTU、ModbusASCII、SPI、I2C
  • 物理层：TTL、RS232、RS485、SPI物理链路、I2C物理链路

网络协议栈

应用层/表示层/会话层 ModbusTCP MQTT LoRaWAN
传输层 TCP TCP 无
网络层 IP IP 无
数据链路层 CSMA/CD CSMA/CA ALOHA
物理层 以太网(有线) Wi-Fi(无线) LoRa(无线)
  • 当报文从高层移动到链路层时，待传输报文就已经确定，并不关心物理层的介质，因此物理层其实可以有多层。
  • 比如：源主机 ==(ModbusTCP)(有线)=> MQTT网关 ==(MQTT)(Wi-Fi)=> 目标主机
  • 比如：源主机 ==(ModbusTCP)(有线)=> LoRaWAN网关 ==(LoRaWAN)(LoRa)=> 目标主机

软件I2C

  • 协议特点：同步时序、可变的多主多从、数据高位先行、半双工
  • 同步时序：时序不严格，主机什么时候操作clk都可以
  • 多从：导致协议需要实现主请求和从应答
  • 多主（可选）：导致协议需要实现多主请求时的总线仲裁
  • 可变（可选）：每个机器既能做主也能做从，导致每个机器需要设置自己的从设备地址
  • 半双工：由于SDA和SCL同时需要输入输出，所以采用开漏+外部弱上拉，实现线与（同时输入输出）

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  • scl相当于clk，sda相当于为data
  • clk低电平为写总线时间，clk高电平为读总线时间
  • clk只能由master控制
  • master用clk来控制读/写总线时间
  • data可以由master/slave控制
  • 给data置1=释放总线/发送数据1，给data置0=占用总线/发送数据0
  • 除了START和STOP，clk电平期间必须保持读/写data
  • 硬件时序
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  • START/Sr状态：scl高电平 -> sda下降沿 -> scl低电平
  • 低电平可写1b：（scl低电平时）写sda -> scl高电平 -> scl低电平 置高电平是为了让对方读
  • 高电平可读1b：（scl低电平时）scl高电平 -> 读sda -> scl低电平

  • STOP状态：scl高电平 -> sda上升沿 -> scl高电平

  • 逻辑事务

  • 指定地址write：写设备地址(7b)+W(1b)->写寄存器地址8b->写数据->从机应答

  • 当前地址read：读设备地址(7b)+R(1b)->从机应答=>读数据->主机不应答

  • 指定地址read：读设备地址(7b)+W(1b)->读寄存器地址8b->读设备地址(7b)+R(1b)->从机应答=>读数据 ->主机不应答

    • 其实是指定地址write与当前地址read的复合格式
    • 首先利用write给出设备地址+W和寄存器地址，然后重新启动IIC，再利用read读当前地址
    • 重新启动IIC是指进入==Sr状态==（发送中途使clk=0，data=0的状态）或者进入P->S状态

  • 连续地址write：写设备地址(7b)+W(1b)->写寄存器地址8b->写数据->从机应答->写数据->从机应答->...

    • 是指定地址write的复合格式，也叫BurstWrite

  • 连续地址read：读设备地址(7b)+R(1b)->从机应答=>读数据->主机应答->读数据...->主机不应答

    • 是指定地址read的复合格式，也叫BurstRead

  • 设备寻址模式

  • 7位设备寻址：寻址流程为：7位设备寻址(3b)+R/W(1b)->...
  • 10位设备寻址：5+3+7位设备寻址，即寻址流程为：寻址标志位(5b)+3位设备寻址(3b)+R/W(1b)->7位设备寻址(7b)->...
    • 寻址标志位=11110b时，识别为10位设备寻址模式，否则识别为7位寻址模式

硬件I2C

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  • 发送和接收不同时发生

  • 发送和接收使用同一个buffer和移位器

  • STM32作为从机

  • 自身地址寄存器：机器的第一个从设备地址，可以使用比较器与总线发出的设备地址比较
  • 双地址寄存器：机器的第二个从设备地址
  • STM32作为主机
  • 帧错误校验：进行CRC校验，附加在数据后面
  • 由于STM32上的I2C外设通过GPIO输出，所以GPIO需要设置GPIO复用输出（复用开漏模式）

软件SPI

  • 协议特点：同步、全双工、固定的一主多从、高位和低位先行均可（一般高位先行）
  • sck为clk，MOSI(DI)为主出从入、MISO(DO)为主入从出、SSx(CSx)为从设备选择
  • master：输出MO配置为推挽输出；输入MI配置为浮空或上拉输入
  • slave：输出SO接三态门，当从有效时才为推挽输出，否则浮空；输入SI配置为浮空或上拉输入
  • 发送和接收的==传输特点==
  • 一次传输必须同时发送和接收，若仅发送/接收，就忽略接收/发送即可
  • 可以配置上升沿读写/下降沿读写
  • 为了在posedge clk下实现下降沿操作，一般的解决方法是：clk分频/相位偏移为clk1
  • 主从的先行方式一定要一致，否则要位反转，不然位序是反的
  • SPI/QSPI时序及事务
  • Read：cmd(8b)->addr(24b)->rdata
    • image-20260104102920722
  • FastRead：cmd(8b)->addr(24b)->8ClkWait->rdata
    • wait周期相当于访存周期，会读设备数据到寄存器，为了后续输出
    • image-20260104102914117
  • QuadFastRead：cmd(8b)->addr(24b)->6ClkWait->rdata
    • QSPI具有4根SIO线，cmd的8b只在第一根SIO上传输，rdata会在4根SIO传输
    • image-20260104102902047
  • Write：cmd(8b)->addr(8b)->wdata
  • QuadWrite：cmd(8b)->addr(8b)->wdata
    • QSPI具有4根SIO线，cmd的8b只在第一根SIO上传输，wdata会在4根SIO传输
    • 由于不需要读设备，所以没有wait状态
  • QPI时序及事务
  • QPIEnter：cmd(8b)=0x35
  • QPIExit：cmd(8b)=0xF5
  • QPIRead：cmd(8b)->addr(24b)->4ClkWait->rdata
    • QPI与QSPI不同，只有1根SIO线
  • QPIFastRead：cmd(8b)->addr(24b)->6ClkWait->rdata
  • QPIWrite：cmd(8b)->addr(24b)->wdata
  • SPI的XIP模式
  • 当启用XIP时，由SPI核自动生成SPI/QSPI/QPI事务
  • 一般用于软件无法实现SPI事务时，比如读取flash中的bootloader

硬件SPI

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  • 分为发送buffer、接收buffer、共用的移位寄存器

  • 发送和接收同时发生

  • 发送buffer->移入到移位寄存器

  • 从移位寄存器移出->接收buffer

DMA 电源