STM32學習筆記之常用外設接口（原理篇）

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文章目錄

單片機常見外設接口有哪些？
UART
- 基礎概念
- 通信協議
- 硬件結構
- 工作原理
- 電平標準
- 特點
GPIO
- 基本概念
- 寄存器相關
- 工作模式
- 基本操作
- 優點
- 常見應用場景
SPI
- 基本概念
- 物理連接
- 通信協議
- 工作原理
- 優缺點
- 軟件編程要點
I2C
- 基礎概念
- 物理連接
- 通信協議
- 工作模式
- 通信速率
- 優缺點
- 軟件編程要點

單片機常見外設接口有哪些？

接口類型	特點
GPIO（通用輸入/輸出）	引腳功能靈活，可配置為輸入、輸出、復用功能或模擬模式；支持上拉、下拉電阻設置以及電平觸發中斷；常用于連接按鍵、LED、繼電器等簡單數字設備，進行數字信號的輸入輸出控制
UART（通用異步收發器）	支持異步通信，可自定義波特率進行數據傳輸；硬件連接簡單，一般只需RX（接收）和TX（發送）兩根線；傳輸距離較短，速率相對不高；常用于單片機與電腦間調試、與藍牙模塊等通信
SPI（串行外設接口）	高速同步串行通信，支持全雙工；通常由時鐘線SCLK、主機輸出從機輸入線MOSI、主機輸入從機輸出線MISO和從機選擇線SS組成；主從模式，一個主機可連接多個從機；適合連接高速外部設備，如ADC、FLASH存儲器、顯示屏等
I2C（雙線接口）	低速同步串行總線，僅需數據線SDA和時鐘線SCL；支持多主多從架構；通過設備地址進行尋址，占用引腳少；通信速率通常在100kHz到1MHz之間；常用于連接低功耗外設，如溫濕度傳感器、EEPROM、實時鐘（RTC）等
CAN（控制器局域網）	支持多主設備串行通信，具有高可靠性和強抗干擾能力；能實現較長距離的數據傳輸（最遠可達數公里），且傳輸速率較高（最高可達1Mbps）；主要應用于工業自動化控制、汽車電子系統等領域
ADC（模數轉換器）	將模擬信號轉換為數字信號，便于單片機處理；有不同的分辨率和采樣速率可選；廣泛應用于溫度、壓力、電壓等模擬量測量場景，如各類傳感器數據采集
DAC（數模轉換器）	把數字信號轉換為模擬信號；可用于生成模擬控制信號，如音頻信號生成、模擬信號驅動等
PWM（脈沖寬度調制）	通過調節脈沖信號的占空比來控制信號的平均值；可用于電機調速、LED亮度調節、電源電壓調節等場景，實現對外部設備的模擬量控制
USB（通用串行總線）	支持高速數據傳輸，同時可為設備供電；具備即插即用功能，支持多種設備類型，如存儲設備、通信設備、音頻設備等；接口標準統一，兼容性好

UART

UART（通用異步收發傳輸器）的知識點主要涵蓋以下方面：

基礎概念

定義：一種通用串行數據總線，用于異步通信，能實現雙向全雙工傳輸和接收。
歷史：可追溯到1960年，最初用于連接微型計算機與電傳打字機。
用途：在嵌入式設計中，用于主機與輔助設備通信，如汽車音響與外接AP通信、與PC機及其他器件（像EEPROM）通信等；在手機設計和測試階段控制CPU與其余部分的訊息傳送。

通信協議

數據傳輸方式：將傳輸數據的每個字符一位接一位地傳輸。
數據幀結構：
- 起始位：邏輯“0”，表示傳輸字符開始。
- 數據位：可以是4、5、6、7、8位等，常采用ASCII碼，從最低位開始傳送。
- 奇偶校驗位：用于校驗資料傳送的正確性，使“1”的位數為偶數（偶校驗）或奇數（奇校驗），也可無校驗位。
- 停止位：是字符數據的結束標志，可為1位、1.5位或2位高電平，還可提供時鐘同步校正機會。
- 空閑位：邏輯“1”，表示當前線路無資料傳送。
波特率：衡量資料傳送速率的指標，指每秒鐘傳送的符號數。通信雙方需設置相同波特率以確保數據正確傳輸，常見的有9600、115200等。

硬件結構

輸出緩沖寄存器：接收CPU從數據總線上送來的并行數據并保存。
輸出移位寄存器：接收輸出緩沖器的并行數據，以發送時鐘速率逐位移出，實現并行到串行數據的轉換。
輸入移位寄存器：以接收時鐘速率逐位移入串行數據，裝滿后轉換為并行數據送往輸入緩沖寄存器。
輸入緩沖寄存器：接收輸入移位寄存器的并行數據，供CPU取走。
控制寄存器：接收CPU送來的控制字，決定通信的傳輸方式（異步或同步）、數據格式（數據位個數、有無奇偶校驗、停止位位數等）。
狀態寄存器：存放接口各種狀態信息，如輸出緩沖區是否空、輸入字符是否準備好等，便于CPU查詢。

工作原理

發送接收：發送邏輯將從發送FIFO讀取的數據進行“并→串”轉換，按配置輸出起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位；接收邏輯在檢測到有效起始脈沖后，對接收位流執行“串→并”轉換，并檢測各類錯誤。
波特率產生：波特率除數由16位整數和6位小數組成，波特率發生器用其決定位周期，在足夠高系統時鐘速率下，可產生標準波特率且誤差小。
數據收發：發送時數據寫入發送FIFO，按預設參數發送，發送FIFO非空時忙標志位有效；接收時，若檢測到起始位，接收計數器運行，按規則采樣數據，接收到完整字符存于接收FIFO。
中斷控制：FIFO溢出、線中止、奇偶校驗錯誤、幀錯誤、接收超時、發送、接收等情況可使UART產生中斷，通過查詢中斷狀態函數，軟件可在同個中斷服務函數處理多個中斷事件。
FIFO操作：包含發送和接收FIFO，可配置不同深度觸發中斷，解決UART收發中斷頻繁導致CPU效率不高的問題，按先進先出原則操作。
回環操作：可進入內部回環模式，用于診斷或調試，發送的數據被自身接收。

電平標準

TTL：使用標準TTL邏輯電平（常見5V、3.3V、1.8V ），設備共地，單向通信一根信號線，雙向全雙工需兩根，適用于短距離通信，如電子DIY項目、嵌入式系統等。
RS - 232：美國電子工業聯盟指定的串行數據通信接口標準，電平范圍-15V至+15V，典型±12V，用于計算機串行接口和外部設備通信，如調制解調器、打印機等，適用于短距離通信，抗干擾性較好。
RS - 485：基于RS - 422標準制定，多點、差分信號串行通信標準，以正負差分電平表示數據，支持多個設備在同一通信線傳輸，通信距離可達1200米，適用于遠距離和噪聲環境下的通信。

特點

優點：布線簡單，只需兩根線（TX和RX）；不需要時鐘信號；可通過奇偶校驗位執行錯誤檢查；數據包結構可更改；應用廣泛。
限制：數據幀最多9位；無法設置多個從站或主站系統；波特率偏差需在10%以內。

此外，UART與USART（通用同步/異步收發器）有所關聯，USART在UART基礎上增加了同步功能，多了僅支持輸出的時鐘，可兼容別的協議或用于特殊用途，但不支持兩個USART之間同步通信。

GPIO

GPIO（General - purpose input/output，通用型輸入輸出）的知識點主要包含以下方面：

基本概念

定義：是一種通用的輸入輸出接口，像微控制器的“手腳”，通過芯片引腳與外部設備連接，實現單片機等與外部世界的交互，幾乎所有微控制器都具備該功能。
功能選擇：一個引腳可作通用輸入（GPI）、通用輸出（GPO）或通用輸入與輸出（GPIO），如clk generator（時鐘發生器）、chip select（片選）等功能。其功能由寄存器配置選擇。

寄存器相關

GPxCON寄存器：用于配置引腳功能。不同端口在功能選擇上有差異，如GPACON中每一位對應一根引腳；PORT B - PORT H/J的GPxCON中每兩位控制一根引腳，通過設置不同數值確定引腳為輸入、輸出、特殊功能或保留狀態。
GPxDAT寄存器：用于讀寫引腳。當引腳設為輸入，讀取此寄存器可知引腳電平狀態；設為輸出時，寫入相應位可控制引腳輸出電平。
GPxUP寄存器：用于確定是否使用內部上拉電阻。某位為1時，相應管腳無內部上拉電阻；為0時相應管腳有內部上拉電阻。上拉電阻在引腳處于高阻態時，決定引腳電平狀態。

工作模式

輸入模式 ：
- 浮空輸入：電平由外部輸入決定，引腳懸空時電平不確定、易受干擾，常用于外部按鍵輸入、IIC和USART等標準通訊協議，是STM32復位后的默認模式。
- 上拉輸入：通過上拉電阻將輸入信號鉗在高電平，外部無信號輸入時引腳讀高電平，可避免電平浮動導致信號不穩定。
- 下拉輸入：借助下拉電阻使引腳在無外部輸入時為低電平。
- 模擬輸入：信號不經過上拉或下拉電阻，關閉施密特觸發器，直接傳送到片上外設模塊，用于ADC采集電壓等場景，獲取原始模擬信號。
輸出模式 ：
- 推挽輸出：使用兩個MOS管，輸出寄存器為’0’時激活NMOS，為’1’時激活PMOS，具備輸出高低電平能力，可直接驅動一些負載。
- 開漏輸出：僅使用NMOS，輸出寄存器為’1’時端口處于高阻狀態，無法真正輸出高電平，需外部上拉電阻，可改變上拉電源電壓提高驅動能力，還能實現線與功能，常用于IIC等總線協議。

基本操作

配置：使用前需進行配置，步驟包括使能GPIO時鐘，設置GPIO方向（輸入/輸出）以及配置工作模式。例如在STM32中，通過操作相關寄存器完成這些配置。
輸出操作：配置為輸出模式后，可通過設置輸出電平控制外部設備，如控制LED亮滅。操作相關寄存器實現電平設置，部分寄存器支持原子操作，避免多線程沖突。
輸入操作：配置為輸入模式后，可讀取引腳電平狀態，如讀取按鍵狀態。

優點

低功耗：功率損耗低，如約1μA，遠低于微控制器（μC）工作電流（約100μA）。
集成接口：內置IIC從機接口，待機模式也能全速工作。
封裝小成本低：提供小尺寸封裝如3mm x 3mm QFN，且只需為使用的功能付費。
開發便捷：無需編寫額外代碼、文檔和維護，可預先確定響應時間，還能實現靈活的燈光控制，布線簡單，僅需2條線組成IIC總線或3條組成SPI總線。

常見應用場景

簡單設備控制：控制LED燈亮滅、蜂鳴器發聲、繼電器開關等。
輸入信號讀取：讀取按鍵狀態、檢測外部開關狀態；連接傳感器（如溫度、濕度傳感器）讀取數據；用于觸摸屏輸入，檢測觸摸操作和獲取坐標。
通信接口：復用為串行通信接口（如SPI、I2C、UART）、定時器輸入/輸出等。
電機驅動：控制電機正反轉、速度等。

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）的知識點主要有以下這些：

基本概念

定義：SPI 是一種高速、全雙工、同步的通信總線，由摩托羅拉首先在其處理器上定義。采用主從模式工作，通常一個主設備可與一個或多個從設備通信。
應用場景：常用于芯片間的數據傳輸，廣泛應用于EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉換器、數字信號處理器和數字信號解碼器等設備之間。

物理連接

SPI接口一般使用4條線進行通信：

SCLK（Serial Clock，串行時鐘線） ：由主設備產生，用于同步主從設備間的數據傳輸，控制數據交換的時機和速率。
MOSI（Master Output Slave Input，主出從入數據線） ：主設備通過這條線向從設備發送數據。
MISO（Master Input Slave Output，主入從出數據線） ：從設備通過該線向主設備發送數據。
SS/CS（Slave Select/Chip select，從機選擇線/片選線） ：由主設備控制，低電平有效。當某從設備的SS線被拉低時，主設備才能與該從設備進行通信，可允許多個從設備連接到同一SPI總線上。

通信協議

數據傳輸 ：SPI以串行方式一位一位傳輸數據，在時鐘信號SCLK的作用下，主從設備的移位寄存器進行數據交換。主設備發起讀寫操作，且在每個時鐘周期，主從設備都會同時發送和接收一位數據，完成一次數據交換。若只需寫操作，主機忽略接收的數據；若要讀數據，主機需發送一個空字節來觸發從機傳輸。
傳輸模式：根據時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）的不同組合，SPI有4種傳輸模式：
- 模式0：CPOL = 0（時鐘空閑時為低電平），CPHA = 0（在時鐘的第一個上升沿采樣數據，下降沿切換數據）。
- 模式1：CPOL = 0，CPHA = 1（在時鐘的第一個下降沿采樣數據，上升沿切換數據）。
- 模式2：CPOL = 1（時鐘空閑時為高電平），CPHA = 0（在時鐘的第一個下降沿采樣數據，上升沿切換數據）。
- 模式3：CPOL = 1，CPHA = 1（在時鐘的第一個上升沿采樣數據，下降沿切換數據）。
  主從設備必須工作在相同模式下才能正常通信。
傳輸速率：沒有固定的傳輸速率限制，可自定義，一般在400KHz - 10MHz，實際速率受硬件特性和應用場景制約。

工作原理

主設備和從設備內部都有串行移位寄存器。通信時，主設備先拉低對應從設備的SS線，選中該從設備，然后通過SCLK發送時鐘信號，同時將要發送的數據寫入發送數據緩存區，經移位寄存器從MOSI逐位發送給從設備；從設備在SCLK作用下，將自身移位寄存器中的數據從MISO返回給主設備，并通過MOSI接收主設備發送的數據，從而實現數據交換。

優缺點

優點：
- 高速高效：全雙工同步通信，能實現高速數據傳輸，數據傳輸效率高。
- 硬件簡單：只需4根線，節省芯片引腳和PCB布局空間，硬件設計簡單。
- 易于擴展：支持一主多從拓撲結構，主設備可方便地與多個從設備通信。
缺點：
- 缺乏流控和應答：沒有指定的流控制機制，也無應答機制確認數據是否被接收，需在應用層自行處理相關問題。
- 從設備選擇復雜：多個從設備時，每個從設備需獨立片選信號，硬件復雜度比I2C等總線高。
- 無統一標準：未規定電氣特性、最大傳輸速率、地址方案等，不同設備的SPI接口可能存在差異。

軟件編程要點

編程時需初始化SPI相關寄存器，配置工作模式（主/從模式）、傳輸模式（上述4種模式之一）、時鐘頻率等參數；數據發送和接收操作通常通過讀寫SPI數據寄存器實現。此外，若使用GPIO模擬SPI通信，需按照SPI的時序要求，手動控制GPIO引腳的電平變化來模擬時鐘信號和數據傳輸。

I2C

I2C（Inter - Integrated Circuit）即集成電路總線，是一種串行通信協議，由飛利浦公司在1980年代初開發。以下是關于它的詳細知識點：

基礎概念

定義：I2C是一種同步、半雙工、多主多從的串行通信總線，用于連接微控制器和外圍設備，能在不同集成電路之間實現高效、可靠的數據傳輸。
應用場景：廣泛應用于傳感器（如溫度傳感器、加速度計）、EEPROM、實時時鐘（RTC）、LCD驅動器等設備與主控芯片之間的通信。

物理連接

信號線：I2C總線僅需兩根信號線，即串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）。所有連接到總線上的設備都通過這兩根線進行通信。
上拉電阻：SDA和SCL線上通常需要接上拉電阻到電源，以確保在空閑狀態下兩條線都保持高電平。當有設備驅動它們為低電平時，才能實現數據的傳輸。

通信協議

數據傳輸：數據以字節為單位進行傳輸，每個字節后面都跟隨一個應答位（ACK）。發送方在發送完一個字節后，會釋放SDA線，等待接收方拉低SDA線以表示成功接收該字節。
起始和停止條件：
- 起始條件：當SCL線為高電平時，SDA線由高電平變為低電平，表示數據傳輸的開始。
- 停止條件：當SCL線為高電平時，SDA線由低電平變為高電平，表示數據傳輸的結束。
數據有效性：在SCL線為高電平期間，SDA線上的數據必須保持穩定，此時數據有效；只有在SCL線為低電平時，SDA線上的數據才允許改變。
地址和讀寫位：通信開始時，主設備會發送一個7位或10位的從設備地址，后面跟隨一個讀寫位（0表示寫操作，1表示讀操作）。總線上的所有從設備都會接收這個地址，并與自己的地址進行比較，如果匹配則響應主設備。

工作模式

主發送模式：主設備向從設備發送數據。主設備發起起始條件，發送從設備地址和寫位，然后依次發送數據字節，每發送一個字節等待從設備的應答。最后，主設備發送停止條件結束通信。
主接收模式：主設備從從設備接收數據。主設備發起起始條件，發送從設備地址和讀位，從設備應答后開始發送數據字節，主設備每接收一個字節需要發送一個應答位。當主設備不想再接收數據時，發送一個非應答位（NACK），然后發送停止條件結束通信。
從發送模式：從設備在接收到主設備的讀請求后，向主設備發送數據。
從接收模式：從設備接收主設備發送的數據。

通信速率

標準模式：最高通信速率為100kbps。
快速模式：最高通信速率可達400kbps。
快速模式+：最高通信速率為1Mbps。
高速模式：最高通信速率可達3.4Mbps。

優缺點

優點：
- 引腳少：僅需兩根信號線，大大節省了微控制器的引腳資源。
- 多主多從：支持多個主設備和多個從設備同時連接到總線上，方便構建復雜的系統。
- 簡單易用：通信協議相對簡單，硬件實現成本低。
缺點：
- 傳輸速率有限：雖然有多種速率模式可供選擇，但相比一些高速總線（如SPI），其傳輸速率仍然較低。
- 傳輸距離短：由于信號線上存在上拉電阻和分布電容等因素，導致傳輸距離受到一定限制。
- 數據傳輸量小：每次傳輸的數據量通常較小，不適用于大數據量的快速傳輸。