Синхронные последовательные порты

При рассмотрении работы параллельного порта в режиме обмена данными с другим компьютером или принтером уже рассматривался режим последовательной передачи байтов. В последовательном порте режим последовательной передачи применяется не только к байтам, но и к отдельным битам внутри байта. В этом случае для передачи данных достаточно только одного провода. Передаваемая и принимаемая информация обычно представляется в виде однобайтовых или многобайтовых слов. Вес каждого бита в слове различен, поэтому кроме битовой синхронизации, аналогичной байтовой синхронизации для параллельного порта, требуется кадровая синхронизация. Она позволяет однозначно определять номер каждого бита в передаваемом слове. Временная диаграмма передачи кадра по синхронному последовательному порту приведена на рис. 19.23.

Рис. 19.23. Временная диаграмма передачи одного кадра двоичной информации по последовательному порту

Такая временная диаграмма характерна для синхронных последовательных портов, которые используются чаще всего в сигнальных процессорах для обмена информацией с кодеками речи, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями. На временной диаграмме показаны синхросигнала: тактовой синхронизации CLK и кадровой синхронизации FS. Кадровый синхросигнал формируется аппаратно из сигнала WR# при записи очередного байта в параллельный порт вывода. Полярность сигналов синхронизации зависит от конкретного типа применяемых микросхем, поэтому в большинстве последовательных портов возможна настройка полярности сигналов синхронизации.

Упрощенная схема синхронного последовательного порта приведена на рис. 19.22. В состав последовательного порта входит универсальный последовательно-параллельный регистр, подключенный к системной шине. Он обеспечивает преобразования параллельного кода, поступающего с системной шины в последовательный. При обращении центрального процессора к последовательному порту вырабатывается сигнал записи в последовательный порт WR#, который через дешифратор подается на вход параллельной записи V универсального регистра. Этот же сигнал используется в качестве кадрового синхросигнала FS. Тактовый синхросигнал CLK, вырабатываемый отдельным генератором, подается на вход последовательного сдвига C универсального регистра, входящего в состав порта.

Количество передаваемых в одном кадре битов может меняться от восьми до тридцати двух. В качестве примера использования синхронного последовательного порта на рис. 19.24 приведена схема подключения аналого-цифрового преобразователя AD7890 фирмы Analog Devices к синхронному последовательному порту сигнального процессора ADSP-2101 той же фирмы.

Рис. 19.24. Схема подключения кодека к синхронному последовательному порту

В синхронном последовательном порте информация передается непрерывно, что, конечно, удобно для устройств с непрерывным потоком информации, как, например, в кодеках речи. Но существуют устройства, к которым необходимо обращаться только периодически, как, например, синтезаторы частоты, микросхемы приемников, блоков цветности телевизоров, микросхем памяти данных и многие другие устройства. В этих случаях используются другие виды синхронных последовательных портов, такие как SPI и I2C. Временная диаграмма сигналов SPI-интерфейса приведена на рис. 19.25.

Рис. 19.25. Временная диаграмма SPI интерфейса.

Основное отличие этого интерфейса от приведенного выше, заключается в том, что сигнал тактовой синхронизации передается только в момент действия импульса кадровой синхронизации. Активный уровень сигнала кадровой синхронизации длится до окончания передачи последнего бита в передаваемом кадре. По одним и тем же линиям передачи данных: MISO (вход для главного, выход для ведомого); и MOSI (выход для главного, вход для ведомого), может передаваться информация к совершенно различным микросхемам. Выбор среди микросхем, подключенных к одному и тому же порту, той, для которой предназначена информация, производится сигналом SS (выбор ведомого). В SPI интерфейсе в приемнике не требуется счетчик тактовых импульсов. Запись принятой информации в параллельный регистр данных производится по окончанию кадрового импульса.

Если в устройстве используется много микросхем, то в SPI-интерфейсе количество линий выбора ведомого становится значительным, поэтому в таких случаях используется еще один вид синхронного последовательного интерфейса: I²C. Временная диаграмма этого интерфейса приведена на рис. 19.26. В I²C-интерфейсе прием и передача данных, а также передача адреса микросхемы и адреса регистра внутри микросхемы, к которому осуществляется обращение, производится по одной и той же линии данных SDA. Для подключения к этой линии используются микросхемы с открытым коллектором. Нагрузкой для всех микросхем, подключенных к линии SDA, служит внешний резистор. Естественно, что скорость передачи данных по такому интерфейсу будет ниже, чем в случае SPI.

Рис. 19.26. Временная диаграмма I2C интерфейса

Сигнал тактовой синхронизация в I2C-шине передается по линии SCL. Начало работы с микросхемой обозначается особой комбинацией сигналов SDA и SCL (переход 0-1 SDA при высоком уровне SCL), которая называется условием старта. Эта же комбинация одновременно осуществляет кадровую синхронизацию. Завершение работы с микросхемой обозначается еще одной комбинацией сигналов SDA и SCL — переходом 0-1 SDA при высоком уровне SCL. В качестве примера микросхем, использующих интерфейс I2C, можно назвать микросхемы EEPROM серии 24сXX.