[MCU] 一种新型外设接口的构想

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现有的外设接口的优缺点：

电路连接都是有VCC，GND两根电源线的，后面不再赘述了。应用的外设都局限在板载的一些低速低通信量芯片或模块，高性能或特殊需求的外设接口和此文无关。

单线总线（1-wire）

如18B20，硬件链接只需一根数据线，非常简单，但在编程和CPU效率上却很不理想，没有中断通知，通讯速率很低，而且在一个完整访问周期内不允许被中断。

I2C总线

I2C 接口的EEprom,只需要I2C两根接线，cpu主动读写数据。

I2C 接口的 温湿度传感器芯片，只需要I2C两根接线，需要cpu主动查询。

I2C 接口的多轴重力加速度传感器，除了I2C两根接线外还需要一根中断线通知CPU状态有变化。

I2C 接口的触摸屏，除了I2C两根接线外还需要一根中断线，一根复位/唤醒线。

通信速率较低，可以挂接多个从设备。总的来讲I2C接口还是比较简洁的，编程也不太复杂。

SPI总线

SPI接口的无线模块，SPI 4根线，一根中断线，一根复位/唤醒线，共计6根线。

SPI接口通信速率较高，但链接线数较多，尤其在挂接多个从设备时，每多一个设备都要多一条片选线和中断线。另外SPI接口虽然是全双工接口，可到目前为止我还从来没见过使用全双工的情况。

串口

Uart接口的从器件，自带收发中断，一般就收发两根线，为异步通信，通信速率低距离较短，为两主机对话模式，作为从机接口的话，编程相对复杂。

USB总线

差分两线链接，硬件链接很简单，速率高，距离远，但芯片实现复杂，软件协议也很复杂，不适用于板载的低成本低功耗低复杂度从属器件。

虽然I2C，SPI总线都是可挂接多个从设备，但实际开发中大多数都是只挂一个从设备；即使真得要挂接多个从设备，在软硬件设计上也要多加小心，系统鲁棒性不是很好。另外实现中断通知，复位唤醒还需要借助额外的gpio引脚连接和中断响应处理，不够简洁。

而且有SPI，Uart还有多种硬件链接上的扩展或变体，使得软硬件设计不好统一处理。

基于以上情况，个人构想（不着边际，胡思乱想）这样一种从设备总线，适用于通信量不是很大（几字节到几K字节），速率要求不高（100K~100Mbps），距离不是很远(1~100cm)，有中断通知，休眠唤醒，硬件复位等操作需求的情况。主要是在I2C总线基础上实现，命名为

TWI（tow wire interface）

特性如下：

1. 只需两根线，3.3V TTL电平，不需要额外扩展硬件线路，链接简单易实现。简洁统一的电路接口，标准易扩展的报文协议。

2. 只接一个从设备，免去了片选信号或地址字段，消除了总线竞争会引发的各种异常，因而大幅简化了芯片和软件复杂度。

3. 为同步传输方式，类似I2C总线，一根时钟线，一根数据线。相比于异步传输抗干扰强，通信速率高。即便用gpio模拟该总线，在通信中因CPU中断响应而拉长比特位也不影响传输准确性。

4. 时钟线由主机推挽输出，从机为输入端，空闲时为高电平，如果芯片处于休眠状态，时钟线置低能唤醒从机。

数据线为半双工方式，主从都可为输入模式，或开漏输出模式，需要外部电阻上拉，所以空闲时也为高电平。在空闲状态下，如果从器件有消息通知主机，可以发送一个低电平脉冲，这时主机中断响应，待数据线被从机释放恢复高电平后，主机方可发送数据。

在通信过程中如果从机出现忙碌，故障等问题也可一直保持数据线拉低，主机则一直等到从机释放数据线后，才可继续通信，查询从机状态。

5. 通信以字节为单位，每字节8位，高位先出。每次通信必须为一个完整报文，报文格式固定但长度不定。

通信中每发一字节不需要有应答过程，I2C每收发一字节都有一个应答过程，这会使得芯片电路和软件实现变得复杂，同时也影响通信速率。SPI就没有校验位，校验可以在报文收发完成后整体校验。

6.每个从机都有一个最多128字节的寄存器组，报文通信就是读取或改写这一组寄存器值。电路上通过移位寄存器便可以实现。

对于一般的传感器或控制器，这最大的128个字节足够一个报文就传输足够多的信息。对于加大数据访问量的芯片则需要通过寄存器间接访问了。如对于存储类芯片则不够，可以先一个短报文设定内存访问地址，后一个起始地址设为127,让首字节自后的数据访问内存。SPI接口的无线模块很多就是类似这样的方式。

7.报文的首字节高7位为寄存器地址(0~127)，最低位为读写控制位（0为写1为读），表明第二字节从哪一个寄存器开始读写。

如果报文首字节为0，即表示要从0寄存器开始写，从机要忽略后面的数据，当数据长度大于等于4字节时，从机要进行硬件复位，复位后处于接收模式，等待主机命令。所以从机的0号寄存器应当不分配其他功能位。

与I2C相比是

去掉了起始位，停止位处理

去掉应答

去掉多主机多从机情况

去掉报文10位设备地址的情况

增加寄存器地址段

增加硬件唤醒复位功能

增加中断触发功能

与SPI相比是

去掉了片选信号

将收发两线合并成一线

SPI的4种电平相位模式统一为一种

增加硬件唤醒复位功能

增加中断触发功能

可以看做是I2C与SPI总线的结合体变种，电路连接类似于I2C，而字节传输协议和芯片实现方式类似于SPI，但软硬件实现起来都更简洁。

heming2216

  

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mj8abcd

  

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