嵌入式系統開發中，選擇合適的通訊協定至關重要，不同的協定特性會直接影響系統效能和複雜度。常見的協定包含同步和非同步通訊，各有其適用場景。同步通訊如 SPI 和 I2C，透過共用時脈訊號，能達到高速且穩定的資料傳輸，適用於連線感測器、記憶體等裝置。非同步通訊如 UART，則無需共用時脈，硬體成本較低，適合長距離、低速率的通訊。此外，USB 作為一種高速的串列通訊協定，也廣泛應用於嵌入式系統中，提供更便捷的外部裝置連線方式。理解各種協定的特性、優缺點及應用場景，才能在設計嵌入式系統時做出最佳的選擇。
SPI 通訊協定
SPI（Serial Peripheral Interface）是一種同步、非對稱的通訊協定，使用四條線連線處理器和外部裝置。它包括：
- MISO（Micro-In Sensor-Out）：接收資料
- MOSI（Micro-Out Sensor-In）：傳送資料
- SCK（Clock）：時鐘訊號
- CS（Chip Select）：選擇外部裝置
SPI 的優點包括：
- 高速率：最高可達 100 MHz
- 低延遲：沒有明顯的延遲
- 簡單實作：相比 RS-232，SPI 的實作更簡單
SPI 的時鐘速度可以根據處理器和外部裝置的能力進行調整。SPI 通常用於連線處理器和外部裝置，如感測器、執行器等。
SPI 通訊協定的工作原理
SPI 通訊協定使用四條線進行通訊，每條線都有特定的功能。當處理器需要傳送資料給外部裝置時，它會先傳送一個時鐘訊號，然後透過 MOSI 線傳送資料。外部裝置接收到資料後，會透過 MISO 線發送回應資料給處理器。
SPI 通訊協定還有一個重要的特性，就是它可以使用多個外部裝置共用同一條 SPI 線，只需要每個外部裝置都有一個獨立的 CS 線即可。
Bit-Bang Driver
Bit-Bang Driver 是一種軟體實作的 SPI 通訊協定，它使用處理器的 I/O 線直接進行通訊，而不是使用專用的 SPI 硬體。Bit-Bang Driver 需要使用一個定時器來控制時鐘訊號，並且需要大量的中斷處理。
I2C 通訊協定
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種兩線通訊協定，使用 SCL（Serial Clock Line）和 SDA（Serial Data Line）兩條線進行通訊。I2C 通訊協定可以有多個控制器和外部裝置，並且可以實作多點通訊。
I2C 通訊協定的優點包括：
- 簡單實作：I2C 通訊協定的硬體實作非常簡單
- 低成本：I2C 通訊協定不需要專用的硬體
但是，I2C 通訊協定的軟體實作相對複雜，並且需要大量的中斷處理。
I2C 通訊協定的工作原理
I2C 通訊協定使用兩條線進行通訊，每條線都有特定的功能。當控制器需要傳送資料給外部裝置時，它會先傳送一個時鐘訊號，然後透過 SDA 線傳送資料。外部裝置接收到資料後，會透過 SDA 線發送回應資料給控制器。
I2C 通訊協定還有一個重要的特性，就是它可以使用多個外部裝置共用同一條 I2C 線，只需要每個外部裝置都有一個獨立的地址即可。
序言
在探索各種通訊協定的世界中，我們發現了許多不同的協定，每個都有其優缺點。在本文中，我們將深入探討I2C、1-Wire、Parallel、Dual和Quad SPI、USB等協定的細節，並分析其特點和實作難度。
I2C協定
I2C是一種廣泛使用的協定，尤其是在微控制器和外圍裝置之間的通訊中。它使用兩條線（SDA和SCL）進行資料傳輸，具有標準模式（100Kb/s）和低速模式（10Kb/s）兩種速度。I2C協定需要一個控制器和一個或多個外圍裝置，外圍裝置需要一個唯一的地址。控制器傳送一個啟動位，然後外圍裝置回應一個確認位，接著控制器傳送命令或資料，外圍裝置回應資料或確認位。
I2C協定的優點包括：
- 低成本
- 低速率
- 簡單的硬體需求
然而，I2C協定也有一些缺點，例如：
- 有限的傳輸距離
- 需要外圍裝置的地址
1-Wire協定
1-Wire是一種低速率的協定，使用單一線進行資料傳輸。它類別似於I2C，但具有隱含的時鐘和較低的資料傳輸率。1-Wire協定常用於簡單的應用，例如溫度感測和身份驗證。
1-Wire協定的優點包括：
- 低成本
- 低功耗
- 簡單的硬體需求
然而，1-Wire協定也有一些缺點，例如：
- 有限的傳輸距離
- 低速率
Parallel協定
Parallel是一種使用多條線進行資料傳輸的協定。它可以實作高速度的資料傳輸，但需要更多的硬體資源。Parallel協定常用於高速度的應用，例如顯示器和外部記憶體。
Parallel協定的優點包括：
- 高速度
- 高吞吐量
然而，Parallel協定也有一些缺點，例如：
- 高成本
- 複雜的硬體需求
Dual和Quad SPI
Dual和Quad SPI是SPI協定的變體，它們使用多條線進行資料傳輸，可以實作更高的速度。Dual SPI使用兩條線，Quad SPI使用四條線。
Dual和Quad SPI的優點包括：
- 高速度
- 高吞吐量
然而，Dual和Quad SPI也有一些缺點，例如：
- 高成本
- 複雜的硬體需求
USB
USB是一種廣泛使用的協定，尤其是在電腦和外圍裝置之間的通訊中。它使用四條線（兩條資料線和兩條電源線）進行資料傳輸，具有多種速度（1.5Mb/s、12Mb/s、480Mb/s和4Gb/s）。USB協定需要一個主機和一個或多個外圍裝置，外圍裝置需要一個唯一的地址。
USB協定的優點包括：
- 高速度
- 高吞吐量
- 簡單的硬體需求
然而，USB協定也有一些缺點，例如：
- 複雜的軟體需求
- 需要主機和外圍裝置之間的通訊協定
通訊協定與ASCII字元
在嵌入式系統中，瞭解不同的通訊協定（如SPI、I2C、UART）是非常重要的。每個協定都有其特點和應用場合，例如SPI通常用於高速資料傳輸，而I2C則常用於感測器和執行器的通訊。
ASCII字元
ASCII（American Standard Code for Information Interchange）是一種字元編碼標準，將字元對映為數字。例如，字元「H」對應的ASCII碼為0x48，即二進位制的01001000。瞭解ASCII字元可以幫助我們在除錯時識別資料流中的字元。
實踐中的通訊
在實踐中，瞭解如何與外部裝置（如數字感測器）進行通訊是非常重要的。首先，需要查詢裝置的資料手冊，以瞭解其通訊協定和組態要求。然後，需要組態處理器的I/O口和通訊子系統，以滿足裝置的要求。
外部ADC範例
以SPI通訊為例，需要進行以下組態步驟：
- 設定I/O口為SPI功能。
- 設定SPI子系統的組態引數，例如時鐘速率、時鐘極性和相位、資料幀長度等。
- 設定SPI中斷，以便在傳輸緩衝區空時觸發中斷。
在實踐中，可能需要使用中斷來處理SPI通訊，以提高效率。例如，可以設定SPI中斷，以便在傳輸緩衝區空時觸發中斷，然後在中斷服務例程中處理SPI通訊。
資料準備中斷
數字感測器通常具有資料準備中斷，用於指示資料已準備好可供讀取。這個中斷可以用於觸發SPI通訊，請求感測器傳送資料。在中斷服務例程中，可以填充傳輸緩衝區，組態SPI傳輸引數，然後啟動SPI傳輸。
綜觀嵌入式系統領域的通訊協定生態，I2C、SPI、UART 等協定各自扮演著關鍵角色，從低速控制到高速資料傳輸，展現多元應用場景。深入剖析這些協定的核心特性與效能表現，可以發現，選用哪種協定需考量實際應用需求，例如資料速率、硬體資源、功耗限制等。
從實務落地的角度分析，I2C 適合連線多個低速裝置，SPI 則更適用於高速資料交換，而 UART 則在簡潔的點對點通訊中佔據優勢。然而，開發者也必須意識到，軟體複雜度和中斷處理是 I2C 和 Bit-Bang SPI 的主要挑戰。善用 DMA 等硬體加速機制，能有效降低 CPU 負擔，提升系統效能。
展望未來，隨著物聯網裝置的普及，低功耗、長距離的通訊技術將成為發展趨勢。預計低功耗廣域網路 (LPWAN) 技術，如 LoRaWAN、Sigfox 等，將與現有協定融合，形成更豐富的通訊生態。同時，更高效的硬體加速方案和更友善的軟體開發工具，將進一步降低開發門檻，加速創新應用落地。玄貓認為，深入理解各種通訊協定的特性和應用場景，並掌握軟硬體整合技巧，是嵌入式系統開發者的核心競爭力。
