SoC接口技术之低速接口分析（上）

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UART

1.名词解释

UART：

全称 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，中文可译为通用异步收发器。

2.历史由来

UART的发明是由于贝尔自己需要将一个电传打印机（Teletype）连接到一个PDP-1，需要将并行信号转换为串行信号。贝尔于是设计了一个使用大约50个独立部件的电路。这个想法被证明是受欢迎的。当时西部数据公司（Western Digital）是一家制造计算机芯片的小公司，它设计了单芯片版的UART。

3.应用场景

UART当前常用于MCU的低速互联，最少仅需要两根信号连接（TXD和RXD），信号支持TTL电平，RS232电平或者RS422电平。UART为全双工异步通信协议，最高支持115200bps的波特率（常用波特率为9600bps）。

4.协议解析

UART定义了一种串行传输协议，单次可传输一个字符，包含5到8bit有效数据（常采用7bit数据，ASCII）。

UART的一个字符除了包含有效数据位外，还包含起始位1bit，奇偶校验位1bit和停止位1bit（也支持1.5bit或者2bit配置）。UART一次传输最多8bit有效数据而不是更多的原因是其设计标准收发两端的频率误差在10%以内，当收到的数据为8bit时误差控制在1bit内，保证了数据的采样不会出错。

5. 协议实现

UART接收使用高频时钟进行采样，在最早的8086芯片中为兼顾速度和稳定性，常采用波特率的16倍时钟进行采样。当主时钟频率确定时，IC实现中可以通过设定波特率寄存器N实现任意波特率。

一个典型的UART接收器的状态机设计如图所示，在空闲状态时接收机通过监测接收信号从1变0，确定接收的起始位。为消除通信线路噪声的影响，只有连续接收到N/2个0后才认为这是一个真正的起始位，并开始在最佳采样点（N/2时刻）采样数据位。

6. 流程控制

UART的流控包括硬件流控和软件流控两种。

硬件流控基于RS232的两个信号接口RTS(数据发送请求)和CTS(数据发送允许)，一端设备的RTS与另一端设备的CTS相连。RTS与CTS均为低电平有效，数据接收设备通过置低RTS接口通知发送设备的CTS接口，发送设备可以发送数据。

软件流控通过带内传输XOFF和XON信号，控制发送的起停。数据接收设备通过发送XOFF通知数据发送设备停止发送数据。数据接收设备通过发送XON通知发送设备继续发送数据。

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SPI

1.名词解释

SPI 全称 Serial Peripheral Interface，中文译为串行外围设备接口。

2.历史由来

最早是由Motorola（摩托罗拉）公司开发的全双工同步串行总线，常用于微控制器与外设之间的连接比如SD卡，液晶屏等外设。SPI没有统一的协议规范，但由于其广泛的使用，根据实际使用中大家通用的习惯形成了一个类似行规的标准,具体的应用需要实际参考特定器件手册。

3.应用场景

SPI用于在单个主控制器和一个或多个从设备之间交换数据，譬如MCU与EEPROM、FLASH、AD转换器的连接。SPI的两端中提供时钟的为Master，接收时钟的为Slave。SPI最少采用四线连接，SCLK，SS，MOSI，MISO。SPI按帧进行数据交换，支持的字长不限于8bit，可根据应用特点灵活选择消息字长。SPI是源同步时钟协议，支持100MHz以上的高速时钟。

4.协议解析

NSS电平由高变低，则产生起始信号；NSS电平由低变高，则产生停止信号。从机检测到自己的NSS线电平被置低，则开始与主机进行通讯；反之，检测到NSS电平被拉高，则停止通讯。

MOSI和MISO线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，开发者可以自行设置MSB或LSB先行，不过需要保证两个通讯设备都使用同样的协定。

根据SCK空闲状态的电平（CPOL）和数据采样时刻（CPHA）的不同，SPI有四种通讯模式。Master和Slave需要工作在相同的模式下才能正常通讯，Master的MOSI如果在SCK上升沿launch数据，Slave的MOSI需要在SCK的下降沿capture数据，反之亦然。

当CPHA=0时，Master需要在第一个SCK的边沿出现前将数据在MOSI上准备好。

5. 协议实现

Motorola定义5类寄存器：

SPI Control Register 1 (SPICR1)控制寄存器1，极性控制，数据长度控制

SPI Control Register 2 (SPICR2)控制寄存器2

SPI Baud Rate Register (SPIBR)波特率寄存器

SPI Status Register (SPISR)状态寄存器

SPI Data Register (SPIDR)数据寄存器

6. SPI读写

SPI读写每笔传输交换一帧数据，一帧数据的bit数据可以是8bit，16bit或者其他数量的bit。

SPI读：片选---读指令---地址---数据读出

SPI写：片选---写指令---地址---数据写入

7. DSPI和QSPI

DSPI和QSPI主要用于存储器接口，其帧格式由存储器定义。归纳下来，QSPI的传输分为两种类型，第一种类型是传统的SPI的单线传输，第二种是QSPI的四线传输。

第一种类型传输常用于状态和控制寄存器的读写，譬如读ID。该传输过程采用MOSI和MISO进行数据交换，一帧数据是46bit。此外，单线传输也支持数据的读写。

第二种类型的传输常用于数据的读写，譬如四线写数据。该传输包含了两个阶段，第一个阶段是命令和地址阶段，第二个阶段是数据传输阶段。第一个阶段，采用单线传输，通过MOSI向器件发送命令和地址。第二个阶段，采用四线传输，通过四个IO向器件发送或者读取数据。

此外，读数据时在第一个阶段和第二个阶段中间会插入Dumy Clocks。

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JTATG

1.名词解释

JTAG，全称Joint Test Action Group，中文名称联合测试行动组。

2.历史由来

1990年JTAG正式由IEEE的1149.1-1990号文档标准化，在1994年，加入了补充文档对边界扫描描述语言（BSDL）进行了说明。从那时开始，这个标准被全球的电子企业广泛采用。边界扫描几乎成为了JTAG的同义词。

3.应用场景

JTAG的基本原理是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port，测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。当前JTAG协议也用来对芯片进行调试，JTAG通过器件内部的DAP（Debug Access Port，调试访问）访问内部总线。

JTAG最少使用四个信号，包括TCK，TRST，TMS，TDI和TDO，最高支持100MHz的串行数据传输。