MCU 提供了非常廣泛的串行接口選擇。串行接口的選擇可能與外圍組件所需的接口一樣簡單，但是當您可以選擇要使用的接口時，明智的決定會對系統性能產生重大影響。SPI、I2C 或 UART 等通用串行接口可能是最常見的選擇，但 CAN 或 SMBus/PMBus 等更專業的接口又如何呢？這些選擇什么時候最好？本文將更詳細地研究這些串行接口標準，并探索一些常見的實現，以更好地了解它們最適合的應用程序類型。

　　通用異步接收器發送器

　　也許最熟悉的串行接口是古老的通用異步收發器 （UART）。這個簡單的異步協議使用單線傳輸數據和另一根線接收，使用圖 1 頂部所示的簡單數據幀。線路從空閑狀態開始，高電壓電平和低沿定義數據框的開始。隨后是多個數據位，低電平或高電平指示數據值。一個可選的第 8 個數據位和一個奇偶校驗位可以包含在數據幀的末尾。（第 8 個數據位是可選的這一事實讓您知道標準的歷史。誰會想到創建一個只有 7 個數據位的現代標準？）一個自由運行的時鐘，通常是數據傳輸頻率的幾倍，用于捕獲起始位之后的數據位。接收器通常可以通過檢查數據速率和窗口化起始位和停止位之間的時間來“計算”傳輸數據速率。UART 的數據速率通常低于其他串行協議的數據速率，但其簡單性和普遍性（幾乎每個 MCU 都有多個 UART 外設）使其非常適合傳感器、簡單控制器和子系統通信等低性能應用— 通過電線或通過板對板連接器。

　　圖 1：UART 數據格式和 Energy Micro 低能耗 UART 操作。（由能源微提供）

　　您可能認為這種類型的接口幾乎沒有什么創新的可能，但隨著對低功耗操作的持續推動，即使是熟悉的 UART 也受到關注。例如，Silicon Labs 的Energy Micro Tiny Gecko MCU 設備，如EMF32TG210包括熟悉的 UART 外設的特殊低能耗實現。低功耗 UART 可以在低功耗 EM2 模式下獨立運行（關閉大部分核心功能）。低功耗 UART 還可以在極低功耗模式下等待傳入的 UART 幀。當檢測到傳入幀時，可以喚醒 CPU。或者，可以使用 DMA 控制器在 CPU 干預下將多個幀移動到片上 SRAM，如圖 1 底部所示。為了更節能的操作，低能耗 UART 甚至可以阻止數據接收，直到可配置的檢測到起始幀。此外，可配置信號幀可用于生成中斷，可能指示塊傳輸結束，以喚醒 CPU。低功耗 UART 的數據傳輸速率限制為 9600 波特，

　　通用同步異步收發器 （USART）

　　通用 UART 外設的大多數現代 MCU 實現不僅包括異步操作，還包括同步操作。這很常見，因為同步和異步操作之間的許多低級硬件是相似的。同步操作通常支持其他標準，例如 RS-485、Microwire、3-wire、SPI、SmartCards 和/或 IrDA。支持這些額外同步標準所需的附加電路確實需要額外的功率，因此仍有一些實現，例如 Energy Micro 低能耗 UART，至少為單個 UART 通道省去了額外的 USART 開銷。

　　串行外設接口 （SPI） 和內部集成電路接口 （I2C）

　　SPI 和 I2C 串行端口用于非常相似的目的。它們是簡單的串行接口，使用最少的信號連接到中速外圍設備——通常是傳感器、串行存儲器，并作為更復雜設備的配置端口（例如，一些 FPGA，可以通過 SPI 接口進行配置）。 STMicroelectronics

　　STM32F373xx系列支持 I2C 和 SPI，我們將在此以示例的形式展示這些端口的常用位置。STM32F373的I2C 端口可以在 100 kHz（標準速度）、400 kHz（快速）和 1 MHz（快速+ 速度）下運行，而 SPI 端口可以高達 18 Mbits/s 的速度運行。MCU 通常具有多個 I2C 和 SPI 端口，STM32F373 也不例外，具有三個 SPI 端口和兩個 I2C 端口。I2C 和 SPI 端口支持其他類似協議也很常見。在 STM32F373 上，I2C 端口還可以支持 SMBus/PMBus 進行電源配置和控制，SPI 端口還可以支持內部集成聲音接口 （I2S）。

　　SPI 和 I2C 端口是適用于多種應用的主力串行端口。簡單的連接（僅使用幾個引腳）和簡單的協議，以及在地址匹配期間喚醒 CPU 或通過 DMA 自動傳輸支持的一些有用的硬件功能，使這些端口成為低速傳感、電源控制的首選，配置和簡單的通信。只有當您需要更高的性能時，您才需要考慮另一種類型的接口。

　　許多串行接口外設都有共同的架構元素，因此仔細研究 SPI 外設的 STM32F373 實現有助于總體了解串行接口外設。如圖 2 所示，STM32F373 SPI 端口具有少量 IO（MOSI 和 MISO 串行數據信號、SCK 串行時鐘和 NSS 從機選擇引腳）。許多串行外設使用單獨的數據輸入、數據輸出和時鐘作為低引腳數和高性能之間的平衡。一個單獨的時鐘需要一個額外的引腳而不是非時鐘實現，但允許更高的性能，因為數據不需要像在 UART 協議中那樣以數據速率的倍數進行采樣。從機選擇輸入也是其他串行通信實現的通用元素，它允許多個設備使用相同的信號，

　　圖 2：在 STM32F373 上實現 SPI 外設。（意法半導體提供）

　　STM32F373 具有獨立的發送和接收 FIFO，有助于減輕 CPU 的低級通信管理負擔。移位寄存器在串行通信實現中無處不在，用于保存外設發送或接收的數據。用于確定時鐘速率的集成波特率發生器和用于從 CPU 卸載任何低級錯誤檢查的硬件 CRC 模塊是受歡迎的硬件元素，并且對于許多串行外設實現來說也是常見的。最后，需要從外設到系統其余部分的總線接口，許多實現包括總線矩陣和 DMA 控制，以優先考慮數據傳輸并進一步提高效率。

　　STMicroelectronics 為 STM32F3 微控制器提供了一個探索套件，有助于工程師利用和應用這些 MCU。

　　SMBus/PMBus

　　SMBus 是 I2C 總線的簡化版本（只有時鐘和數據），最初被定義為將 ON/OFF 指令傳送到電源——通常是板載模塊或穩壓器。大多數 MCU I2C 外設可用于控制 SMBus，但也有例外，因此請仔細檢查您的設計中是否需要 SMBus。PMBus 是一種稍微復雜的實現，但仍然很容易得到大多數 MCU I2C 端口的支持，它更清楚地定義了兼容設備的一些屬性（而不是像 SMBus 那樣主要定義通信協議）。PMBus 與 SMBus 的選擇主要取決于電源控制系統，因為 MCU 支持通常很容易獲得。

　　控制器局域網 （CAN）

　　CAN 協議的主要設計目的是用作車輛串行數據總線，以滿足車輛嘈雜環境中實時處理和可靠運行的特定要求。所需帶寬的成本效益也是一個關鍵目標。CAN 也被更廣泛地用于存在類似實時和可靠性要求的電機控制和工業自動化。

　　盡管 CAN 僅使用單數據發送信號和單數據接收信號，但它是比我們之前討論的協議復雜得多的協議。幸運的是，外設自動支持許多低級細節，用戶可以主要關注設計的高級方面。作為一個示例實現，飛思卡爾Kinetis K30 MCU 設備（如MK30DX256）具有非常靈活的 CAN 協議實現，如圖 3 所示，有助于說明在使用更復雜的協議進行設計時的一些關鍵考慮因素。

　　圖 3：飛思卡爾 Kinetis MK30DX256 MCU CAN 控制器。（由飛思卡爾提供）

　　Freescale Kinetis MK30DX256 上的 FlexCAN 模塊是 CAN 協議規范 2.0 B 版的完整實現。最好將其視為協議控制器，而不僅僅是一個簡單的接口，因為它隱藏了設計的許多低級元素用戶。（CAN 物理層的細節實際上很有趣，在很多方面都讓人想起以太網，但超出了本文的范圍。如果您有興趣了解更多信息，請參閱 CAN 規范1。） 兩線制通信接口由控制器處理，生成的消息存儲在本地消息緩沖區 RAM 中。

　　在 Freescale Kinetis MK30DX256 實施中，CAN 協議引擎 （PE） 子模塊管理 CAN 總線上的串行通信，請求 RAM 訪問以接收和發送消息幀，驗證接收到的消息并執行錯誤處理。控制器主機接口 （CHI） 子模塊處理接收和發送的消息緩沖區選擇，負責仲裁和 ID 匹配算法。總線接口單元 （BIU） 子模塊控制對內部接口總線的訪問，以建立與 CPU 和其他模塊的連接。與 FlexCAN 控制器相關的靈活性是通過控制各種操作模式、掩碼寄存器、錯誤計數器、中斷寄存器和 FIFO 控制的大量配置寄存器（31 個 32 位寄存器）來實現的。

　　雖然 CAN 主要針對汽車應用，但它也可用于許多工業應用。例如，電機控制是一種應用，CAN 的抗噪聲能力（以電磁干擾或 EMI 的形式）可以帶來很大的好處。對穩健運行、運行冗余和低速要求有重大要求的工廠車間可能會發現 CAN 比不太穩健的串行接口或更復雜的解決方案（如工業以太網）更好。現在越來越多的低成本 MCU 支持 CAN，以及 CAN 驅動程序和協議棧的更好可用性，CAN 可能值得在您的下一個工業控制項目中進行更深入的研究。

　　軟件支持是關鍵

　　在這些類型的更復雜的外設中，大量的配置寄存器可能令人望而生畏，正確設置每個配置位可能是令人沮喪的根源。幸運的是，MCU 制造商已經意識到了這一點，并且通常會提供一種工具來輕松設置常見操作場景所需的各種配置位。例如，飛思卡爾提供了 Processor Expert 工具2，它可以生成 C 代碼來創建、配置、優化、遷移和交付軟件組件，例如外圍驅動程序，作為您軟件開發過程的起點。Processor Expert 使用簡單的圖形用戶界面從庫中選擇組件，使用可消除錯誤和沖突的引導過程配置它們（在“手動”執行此任務時很常見），然后將它們安裝到您的軟件項目中，供 IDE 在軟件開發期間使用。在設計復雜的外圍設備以避免代價高昂的錯誤和配置沖突時，這種類型的工具幾乎是一項硬性要求。一個簡短的視頻 3 提供了此過程的快速概覽。

　　總結

　　在許多應用中，眾所周知的低帶寬 UART 可能是最熟悉的選擇，但現在 MCU 提供了廣泛的其他中低帶寬串行接口解決方案，如 SPI、I2C、PMBus 和 CAN it對于查看其他選項也很有用。使用有助于向用戶“隱藏”許多詳細的低級硬件功能的軟件工具，您不僅會獲得更高的接口性能，而且還會減少您的開發時間。