Giao thức chung để truyền dữ liệu từ hệ thống này sang hệ thống khác?

Giao thức chung để gửi thông tin từ hệ thống này sang hệ thống khác là gì? Ví dụ: giả sử chúng tôi có một số thông tin được thu thập từ vi điều khiển trong một khoảng thời gian mà chúng tôi muốn gửi đến một vi điều khiển khác. Tôi đã nghe nói về giao diện SPI và I2C, nhưng tôi không rõ khi nào bạn sử dụng một phương thức này so với phương thức khác và cách bạn triển khai nó. Có phương pháp nào khác ngoài SPI và I2C là phổ biến không? Là quá trình thực hiện tương tự cho các vi điều khiển khác nhau? Có phải về cơ bản là phân tích cú pháp byte dữ liệu mà tôi đang làm trên vi điều khiển nhận không?

SPI và I2C giống nhau, ở chỗ chúng thực sự được sử dụng nhiều hơn để gắn các thiết bị ngoại vi vào bộ điều khiển hoặc cpu, hơn là thực sự truyền dữ liệu giữa các hệ thống. USB là một giao diện khác mà mọi người dường như muốn coi là một hệ thống truyền thông, trên thực tế là một bus đính kèm ngoại vi.

Giao tiếp giữa các hệ thống không chính xác như gắn thiết bị vào xe buýt. Đính kèm bus cho phép bộ xử lý đập trực tiếp vào các thanh ghi trong thiết bị, trong khi giao diện giao tiếp cho phép bạn gửi / nhận luồng dữ liệu. Một thiết bị được kết nối trên xe buýt thường cần một trình điều khiển thiết bị, trong khi với truyền thông, thực sự không có vấn đề gì được kết nối ở đầu bên kia, liên quan đến máy tính chủ.

Tất nhiên, điều này đang trở thành một ranh giới nguy hiểm hơn mọi lúc. Những thứ như PCI và ISA là xe buýt không thể chối cãi; I2C, SPI, USB là những chiếc xe buýt được cho là; trong khi đó, RS232, RS485 và ethernet chắc chắn là các giao diện truyền thông. Nhưng sau đó, có những thứ như CAN bus và 1553, chắc chắn là về việc di chuyển dữ liệu xung quanh, nhưng theo một cách rất liên quan.

Không có cách nào để gửi dữ liệu, có nhiều cách khác nhau để giao tiếp tùy thuộc vào khoảng cách, tốc độ dữ liệu, môi trường, ứng dụng ...

Lớp thấp nhất là lớp vật lý , thực sự di chuyển các bit xung quanh.

• SPI và I²C dành cho khoảng cách ngắn bên trong thiết bị, nơi không có nhiều tiếng ồn có thể làm phiền việc truyền tải.

• Đối với giao tiếp không quá nhanh qua khoảng cách lên đến vài chục mét, giao tiếp nối tiếp qua RS-232 là một lựa chọn tốt.

• Nếu có nhiều nhiễu hoặc tín hiệu chênh lệch khoảng cách dài hơn được sử dụng, ví dụ trong RS-485. Để truyền dữ liệu nhanh hơn, có Ethernet, ngày càng trở nên phổ biến.

• Sau đó, cũng có các tiêu chuẩn không dây khác nhau.

Trên đầu lớp vật lý có nhiều lớp tổ chức cách gửi dữ liệu, để phát hiện và sửa lỗi trong quá trình truyền, định tuyến trong mạng và nhiều thứ khác. Ví dụ, giao thức internet là một chồng khá phức tạp của một số lớp, thường là trên giao thức Ethernet.

Một UART nối tiếp đơn giản có thể được sử dụng (một dòng Tx và một dòng Rx không có đồng hồ rời) và có thể dễ dàng điều chỉnh để giao thoa giữa các tiềm năng khác nhau (ngay cả mạch sơ cấp và thứ cấp) với bộ tách quang hoặc bộ cách ly từ tính .

Theo như các giao thức, bất cứ thứ gì có byte lệnh được xác định và một số loại sơ đồ tổng kiểm tra sẽ hoạt động tốt. Thực sự không có một giao thức chuẩn bao gồm tất cả các loại giao tiếp. I2C có một tiêu chuẩn báo hiệu (xác định địa chỉ, dừng, bắt đầu, v.v.) nhưng giao thức của những gì thực sự được truyền đạt chỉ phụ thuộc vào nhà phát triển.

PMBus , ví dụ, là một giao thức truyền thông cung cấp điện sử dụng I2C làm phương tiện vật lý.

Thực sự không có giao thức "chung", những gì bạn kết thúc sử dụng phụ thuộc nhiều vào ứng dụng. Để chúng tôi cung cấp cho bạn câu trả lời tốt hơn, chúng tôi cần hiểu rõ hơn các yêu cầu của bạn. Bạn đề cập rằng bạn muốn có các bộ điều khiển vi mô riêng biệt nói chuyện với nhau như các hệ thống con.

Một số câu hỏi về ứng dụng này:

1. Sẽ có nhiều hơn 2 bộ điều khiển vi mô trong dự án này?
2. Yêu cầu tốc độ và thông lượng của bạn là gì? Làm thế nào nhanh chóng thông tin cần đến đó và tần suất bạn gửi / nhận dữ liệu?

Nếu bạn trả lời KHÔNG cho câu hỏi 1:

Nếu chỉ có 2 micrco-điều khiển trong dự án này, bạn chắc chắn có thể sử dụng UART giữa chúng. Nếu cả hai đều cần bắt đầu liên lạc, hãy sử dụng điều khiển luồng, nếu không thì việc gửi dữ liệu theo một hướng là chuyện nhỏ. Đối với hầu hết các phần nên là "đủ nhanh" khi bạn chọn một trong những tốc độ truyền cao hơn. I2C và SPI thường chỉ tốt cho kiến ​​trúc chủ / nô lệ.

Nếu bạn trả lời CÓ (hơn 2 bộ điều khiển) cho câu hỏi 1:

• Nếu có nhiều hơn 2 bộ điều khiển vi mô trong dự án của bạn, cái nào sẽ bắt đầu truyền thông? Nó sẽ chỉ là một bộ điều khiển chính (tức là kiến ​​trúc chủ-nô)? Hoặc bất kỳ hệ thống con nào có thể nói bất cứ lúc nào?
• Có cần cho bất kỳ hệ thống con nào để nói chuyện với nhau không? ví dụ: đối với thiết bị A, B và C: A có thể gửi đến B và C và B có thể gửi cho cả A và C, v.v.

Vì vậy, bây giờ bạn cần một cái gì đó có khả năng mở rộng hơn, nơi bạn có thể thả các thiết bị có địa chỉ lên một chiếc xe buýt chung. Câu trả lời cho những câu hỏi tiếp theo này sẽ giúp bạn quyết định giữa I2C và SPI (chủ nô) hoặc đại loại như CAN (đa chủ).

Bộ điều khiển vi mô của bạn rất có thể có thiết bị ngoại vi UART, các bộ điều khiển khác (đặc biệt là CAN) chỉ có thể khả dụng trên các chip cao cấp hơn. Trong cả hai trường hợp, cần có nhiều tài liệu về cách sử dụng các thiết bị ngoại vi này để di chuyển byte xung quanh.

Như @Jon đã lưu ý, một vấn đề trong việc chọn giao diện truyền thông là liệu một thực thể sẽ luôn chịu trách nhiệm bắt đầu truyền thông hay liệu có nhiều hơn một thực thể có thể chịu trách nhiệm như vậy hay không. Một vấn đề liên quan là liệu một thực thể sẽ luôn sẵn sàng nhận thông tin liên lạc không mong muốn. SPI thường được sử dụng trong các ứng dụng mà một bên sẽ luôn sẵn sàng nhận thông tin liên lạc. Ví dụ, một cái gì đó như một thanh ghi thay đổi 74HC595 không bao giờ "bận". Mặc dù SPI tốt cho giao tiếp giữa vi điều khiển và phần cứng mà vi mô được cho là điều khiển, nhưng nó thực sự không tốt cho giao tiếp giữa hai vi điều khiển. Khi hai bộ xử lý có phần cứng I2C đang sử dụng nó để liên lạc, phần mềm có thể mất bao lâu tùy thích (trong các ràng buộc rất hào phóng) để đối phó với những gì đang diễn ra, mà không gây mất dữ liệu. Nếu một bộ xử lý phải mất 100 micro giây để xử lý mỗi byte đến, điều đó sẽ hạn chế nghiêm trọng thông lượng, nhưng người gửi sẽ làm chậm đủ để người nhận theo kịp. Cách duy nhất thường có thể xảy ra với SPI là nếu một người có một dây riêng để bắt tay.

I2C thực sự là một giao thức tuyệt vời. Những hạn chế lớn nhất ngăn không cho nó trở thành giao thức hoàn hảo nhất có thể tưởng tượng được là

1. Tốc độ của nó có phần hạn chế; SPI có thể đi nhanh hơn nhiều và thậm chí UART đôi khi có thể đi nhanh hơn một chút
2. (2) Mặc dù rất thuận tiện khi I2C chỉ cần hai dây, cả hai dây phải có khả năng giao tiếp bộ thu mở hai chiều. Điều này gây khó khăn cho việc gửi I2C qua các bộ lặp.

Cá nhân, tôi muốn thấy những người bán bộ điều khiển hỗ trợ một biến thể SPI ba dây bao gồm bắt tay. Tôi không biết về bất kỳ bộ điều khiển nào làm như vậy, mặc dù.

Không theo thứ tự cụ thể, các thể hiện lớp vật lý phổ biến nhất cho 2 CPU trong cùng một hộp dường như là:

• SPI chuỗi daisy (như được sử dụng bởi JTAG)
• SPI chọn dây cho mỗi nô lệ
• "RS-232 cấp độ TTL" hay còn gọi là "giao tiếp nối tiếp bắt đầu không đồng bộ" (kết nối trực tiếp chân UART TX của một CPU với chân UART RX của CPU khác)
• I2C
• Dữ liệu 8 bit + nhấp nháy (chẳng hạn như cổng song song cổng máy in IEEE 1284)
• bộ nhớ dùng chung (chỉ một CPU điều khiển bus địa chỉ / dữ liệu / điều khiển tại một thời điểm)

Các thể hiện của lớp vật lý này (cũng như các thể hiện của lớp vật lý khác cho 2 CPU trong các hộp riêng biệt) thường cung cấp một luồng byte cho phần mềm thực hiện các mức cao hơn của hệ thống truyền thông.

Các lập trình viên thông minh viết phần mềm theo cách mà khi anh chàng phần cứng quyết định xé một thể hiện của lớp vật lý và thay thế nó bằng một thể hiện của lớp vật lý hoàn toàn khác, họ chỉ cần viết lại một vài chức năng để cung cấp luồng byte đầu ra của họ đến phần cứng và đọc lại một luồng byte từ phần cứng và tất cả các công cụ giao thức cấp cao hơn tiếp tục hoạt động không thay đổi.

Giao thức gửi thông tin từ CPU này sang CPU khác hầu như luôn liên quan đến việc diễn giải luồng byte dưới dạng một chuỗi các gói:

1. lời mở đầu
2. tiêu đề
3. (có thể thoát) dữ liệu tuần tự
4. trailer

Một số người dường như thích tạo ra các giao thức hoàn toàn mới, tùy chỉnh, không tương thích bằng cách trộn và kết hợp (2) một trong nhiều loại cấu trúc tiêu đề với (3a) một trong nhiều loại dữ liệu tuần tự hóa với (3b) một trong nhiều loại thoát khỏi dữ liệu nối tiếp đó với (4) một trong nhiều loại trailer.

Một số giao thức đơn giản nhất để đóng gói dữ liệu vào một gói bao gồm:

• các ba byte giao thức Mini SSC
• định dạng dây

Các giao thức phức tạp hơn một chút để đóng gói dữ liệu vào một gói bao gồm:

• vscp - Giao thức điều khiển rất đơn giản
• IP qua kết nối nối tiếp

Có một danh sách dài các giao thức tại

• giao thức phổ biến được sử dụng trong các hệ thống nhúng
• Lập trình nối tiếp: Hình thành các gói dữ liệu

Bạn có thể thích đọc "Văn hóa dân gian thiết kế giao thức" của Radia Perlman, mô tả cách thiết kế giao thức có thể sai.

Không có giao thức 'chung' duy nhất. Sự lựa chọn có thể (ví dụ) phụ thuộc vào:

• khoảng cách
• thông lượng cần thiết
• sẵn có các thiết bị ngoại vi đặc biệt
• Mức độ ồn
• cần cách ly quang
• mức độ nghiêm trọng (tỷ lệ thất bại chấp nhận được)
• sức mạnh CPU khả dụng ở cả hai đầu
• chân I / O có sẵn ở cả hai đầu

Trong nhiều trường hợp, bạn phải loại bỏ lớp vật lý (mức tín hiệu) khỏi lớp liên kết dữ liệu (+/- cách dữ liệu được mã hóa) (kiểm tra mô hình OSI, thấp hơn 2 ..4 lớp). Ví dụ, các lớp thực vật có thể là:

• 5V 5V đơn giản hoặc 3,3V hoặc thậm chí 1,8V
• bất kỳ thứ nào ở trên nhưng bộ thu mở thay vì kéo đẩy
• cân bằng tín hiệu điện áp lov (thường được sử dụng với FPGA)
• cân bằng higer volatge (RS485, RS432)
• điện áp cao hơn kết thúc đơn (RS232)
• cân bằng kết hợp trafo (các phiên bản ethernet khác nhau, âm thanh PDIF)
• quang (ethernet quang, toslink)

Bạn có thể sử dụng một dòng để mang dữ liệu và thông tin đồng hồ, hoặc chia dòng này thành nhiều dòng. Cái sau được sử dụng phổ biến, nhưng ngày nay hầu hết các giao thức mới / nhanh có xu hướng sử dụng một dòng (hoặc một cặp dòng hoạt động như một).

Có rất nhiều cách để mã hóa dữ liệu và đồng hồ trên một dòng. Theo truyền thống, sử dụng NRZ, có mã hóa Machester, với các định dạng khác nhau được sử dụng trên các đĩa cứng với dòng tên tò mò 2.7 RLL.

Tóm lại: có rất nhiều cách để thực hiện giao tiếp giữa các hệ thống. Và tôi thậm chí không đề cập đến các trình kết nối hoặc các khía cạnh cấp cao hơn như phát hiện và khôi phục lỗi, mã hóa dữ liệu, nén và mã hóa ...