今天這篇文章我們來聊一聊通訊接口相關(guān)的內(nèi)容。

眾所周知，不同國家，甚至是不同地區(qū)的人，要能順利溝通，必須說對方能聽懂的語言。無論是家鄉(xiāng)話，普通話，還是英語，法語等各種語言，都有他們適用的場合。芯片之間也需要“交流”，要能識別到對方的信號，通訊芯片之間必須遵守相同的規(guī)則。因此，無論是UART，I2C，還是SPI，CAN等各種接口，也都有他們適用的場合。

面對這么多的接口和協(xié)議規(guī)范，有沒有什么好的方法將他們?nèi)堪M去呢？

答案是肯定的，借鑒前輩們的總結(jié)和歸納，眾多的接口通訊其實只要抓住三個核心點就能分清：時鐘同步和異步，信號的傳輸方向，時鐘的來源。也就是文章標題所說的通訊接口三板斧。

1. 第一板斧——時鐘同步和異步

接口之間的交互方式存在多種形式，如果按照是否有公共時鐘CLK的參與，可以分為同步傳輸和異步傳輸。

同步：兩個或兩個以上隨時間變化的量在變化過程中保持著一定的相對關(guān)系。異步：雙方不需要共同的時鐘，接收方不知道發(fā)送方什么時候發(fā)送。以特定的信號來提示對方開始接收信息。

同步和異步都是針對時鐘來說的，同步意味著信號需要參考時鐘信號，而異步信號不需要參考CLK信號。

（1） 異步傳輸

異步傳輸是指將比特串劃分為一個個小組發(fā)送，這些小組可以在任何時間發(fā)送。異步傳輸也叫做起止式通信。

異步傳輸最大的特點就是在傳輸每幀數(shù)據(jù)時，每個字符代碼前后的都有起始位和停止位標識字符的開始和結(jié)束。以常見的UART異步通信數(shù)據(jù)格式為例。

在數(shù)據(jù)開始發(fā)送時，有嚴格起始信號，停止信號。在某些場合還會增加標志位，奇偶校驗位。因此，異步通訊的特點：通信方式簡單，效率低，速率低；常見的應(yīng)用場合：UART  CAN總線，誤碼率高及對數(shù)據(jù)速率要求低的線路。

（2） 同步傳輸

同步傳輸是指每一個數(shù)據(jù)位都是用相同的時間間隔發(fā)送，而接收時也必須以發(fā)送時的相同時間間隔接收每一位信息。

不論是否傳輸數(shù)據(jù)，接收單元與發(fā)送單元都必須在每一個二進制位上保持同步。發(fā)送方和接收方的時鐘是相同的，一般在同步字符后，傳送大量數(shù)據(jù)。

同步信號在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，需要嚴格參考時鐘信號。因此，在同步信號傳輸中，如果時鐘信號存在錯亂，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也將受到干擾。但是這種傳輸方式因為省去了固定的字節(jié)消耗，效率高，速度快，速度取決于時鐘頻率。在工程中應(yīng)用較多的是I2C，SPI都屬于同步傳輸?shù)姆绞健?/span>

（3） 同步和異步的差異

2. 第二板斧——信號傳輸方向

前面根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸是否需要時鐘將接口的傳輸分為同步和異步。如果按照在傳輸?shù)臅r候，是單方向的傳輸還是雙向的傳輸，又可以分為單工，全雙工，半雙工。

（1）單工

單工通信說明接口之間的信息只能單向的傳遞，比如，電視，廣播，功放。在UART通信中，單獨針對RXD來說，信號只能通過RXD信號從發(fā)送設(shè)備向接收設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。接收設(shè)備不能通過RXD管腳做其他功能使用。

（2）半雙工

半雙工說明接口之間的信息通道支持雙向的傳輸，但是在某一個固定的時刻，信號只能從一方傳遞到另一方，不能同時傳遞信號。比如對講機，智能音響。在單板中經(jīng)常使用的RS485兩線式的接口就是半雙工的通信方式。

（3）全雙工

全雙工說明信息能在某個時刻雙向傳輸，不需要像半雙工那樣存在切換，全雙工的通道一直支持信息雙向的傳遞。比如有線電話，手機，都是雙向通訊。在單板上，使用較廣泛的UART(RXD/TXD)，SPI(SDI/SDO)都是全雙工接口。

3. 第三板斧——時鐘的來源

在有時鐘參與的接口通訊中，依據(jù)時鐘的差異，IC之間的通訊又可以分為系統(tǒng)同步，源同步，自同步三種類型的通訊方式。

（1） 系統(tǒng)同步

系統(tǒng)同步也稱為公共同步，即在IC之間通信中，外部公共時鐘應(yīng)用于兩個IC之間，并用于數(shù)據(jù)發(fā)送以及接收。

系統(tǒng)同步的接口要求接收端的數(shù)據(jù)要比時鐘先到達，這樣才能在時鐘到達的時候正確采樣。系統(tǒng)同步一般用在低于200MHz~300MHz的場合。這種通訊方式在筆者平時單板開發(fā)中見得很少，僅僅在SOC和以太網(wǎng)PHY芯片之間曾見過，50MHz的晶振同時給SOC和PHY作為時鐘，但是產(chǎn)品中未曾使用。

（2） 源同步

源同步是指兩個通訊的IC，發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，會伴隨著時鐘一起發(fā)送，接收端依據(jù)此時鐘進行數(shù)據(jù)的接收。

源同步在視頻領(lǐng)域使用比較多，傳感器輸出信號格式為：數(shù)據(jù)+時鐘+行場同步信號，接收端SOC在接收到圖像Sensor傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，根據(jù)時鐘的時序，來接收每個像素點。

源同步的時鐘和數(shù)據(jù)都是從發(fā)送端發(fā)出，這里需要注意采樣時序的問題，接收端的SOC接收到的時鐘采樣需要在數(shù)據(jù)的中間，因此，數(shù)據(jù)先發(fā)送，再是時鐘，這樣在接收端時鐘和數(shù)據(jù)錯開的相位剛好能保證時鐘采樣到的信號在數(shù)據(jù)中間。源同步使用較多的應(yīng)用場合接口速率在200MHz~800MHz，如DDR，QDR等。

（3） 自同步

自同步的意思就是不需要單獨的時鐘線，但是器件能在數(shù)據(jù)流中準確得到數(shù)據(jù)和時鐘。通訊模型如下：

自同步電路主要模塊分為并串轉(zhuǎn)換，串并轉(zhuǎn)換和時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)。自同步在高速接口中使用比較多，如FPGA的GTP接口，內(nèi)部包含的高速SerDes就是自同步。

SerDes串行解串器在發(fā)送端將多路低速并行信號被轉(zhuǎn)換成高速串行信號（含數(shù)據(jù)和時鐘），在接收端通過CDR恢復(fù)出數(shù)據(jù)和時鐘。

自同步常用于速率小于10GHz的單板中，PCIE，SATA這些高速接口都是自同步的方式。還有一些自定義的接口協(xié)議，為了節(jié)約傳輸線，通常將時鐘信號放在數(shù)據(jù)信號中一起傳輸，在接收端分離出時鐘信號。

不同的使用場合需要使用不同的芯片，不同的芯片之間的接口也存在巨大的差異，在變化中也存在一些共性的問題，只要記住上面的三板斧，在遇到新的通訊接口時，就會更快看到差異和本質(zhì)。