SPI vs. UART: quale protocollo utilizzare?

SPI e UART sono utilizzati in qualsiasi cosa, dai semplici microcontrollori ai complessi industriale attrezzatura. Se stai cercando di connettere due dispositivi, dovrai scegliere l'uno o l'altro.

Confronteremo SPI e UART in questo articolo per aiutarti a determinare quale protocollo è appropriato per il tuo progetto.

SPI

Cos'è una SPI (Serial Peripheral Interface)?

Sta per Serial Peripheral Interface. Si tratta di un protocollo di comunicazione che consente a due dispositivi di comunicare tra loro.

Comunemente utilizzato per la comunicazione tra un microcontrollore e un chip di memoria. È anche comunemente usato per collegare dispositivi periferici come sensore o display.

Poiché SPI è un protocollo seriale, utilizza un solo filo (o linea) per trasmettere i dati. Ciò significa che i dati inviati via cavo vengono inviati solo un bit alla volta. Nella maggior parte dei casi, questa trasmissione seriale avviene molto rapidamente.

È anche abbastanza versatile da poter essere utilizzato in una varietà di applicazioni diverse, ad esempio, potresti utilizzare SPI per collegare un'unità flash al tuo computer o forse collegare un LCD visualizzare sulla tua scheda Arduino.

Fili SPI

Questo protocollo consente a due dispositivi di scambiarsi informazioni. Il protocollo SPI è costituito da quattro fili:

MISO

MISO sta per master in slave out. Questo è un modo per comunicare tra due dispositivi SPI.

Il cavo MISO è una linea di segnale bidirezionale. Fornisce lo scambio di dati tra i dispositivi master e slave in un sistema di comunicazione sincrono. Questo cavo viene utilizzato per trasmettere i dati dal dispositivo master al dispositivo slave e consente la ricezione dei dati dal dispositivo master dal dispositivo slave.

SS/SC

Controlla se il dispositivo con cui si sta comunicando è attualmente selezionato o meno. La linea SS/CS è una di queste linee condivise. Può essere utilizzato per selezionare con quale dispositivo sul bus si desidera comunicare.

Il perno SS è normalmente tirato in alto, mentre il perno CS è tirato in basso. Nel caso di SPI, questi segnali sono open-drain. Devono essere tirati su con resistori per poterli abbassare. Ad esempio, se si dispone di un chip select a 4 bit che si desidera utilizzare su un bus a 8 bit, è possibile combinare tutti e 4 i chip select in un chip select a 8 bit legandoli insieme e abbassandoli con un singolo resistore di pull-up.

SCK

La linea di clock seriale, nota anche come shift clock, viene utilizzata per sincronizzare il trasferimento dei dati tra il microcontrollore e il dispositivo SPI. È un segnale di clock continuo che determina la velocità con cui i dati vengono spostati dentro e fuori dal dispositivo.

Questo segnale di clock viene utilizzato per sincronizzare tutti gli altri segnali in un bus SPI. Di solito è collegato a un pin dedicato sul dispositivo master. Il frequenza di questo segnale di clock deve essere maggiore o uguale a 1 MHz.

MOSI

Il segnale MOSI consente al microcontrollore in un computer di sapere che deve inviare dati alla periferica SPI. Questo lo leggerà e lo invierà alle proprie periferiche.

Nel mondo della trasmissione dei dati, un'interfaccia seriale significa che un bit di informazioni viene trasmesso alla volta, in ordine sequenziale. Trasferisce e prende i dati dal dispositivo master e li invia al dispositivo slave.

bus digitale UART

Che cos'è un UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)?

Un modo standard di inviare dati tra due dispositivi. Viene utilizzato in molti tipi diversi di dispositivi elettronici, dai dispositivi di consumo alle apparecchiature industriali.

Si chiama "universale" perché può essere utilizzato per comunicare con molti tipi diversi di dispositivi e protocolli, ed è chiamato "asincrono" perché non richiede che il mittente e il destinatario siano sincronizzati tra loro, cioè non t richiedere loro di inviare bit di dati a intervalli regolari.

L'UART riceve l'input da un computer o da un altro dispositivo e lo invia a un altro dispositivo utilizzando lo stesso protocollo. Ciò significa che se si dispone di un computer con una porta seriale, è possibile collegarlo a un altro computer o dispositivo utilizzando questa porta e inviare dati tra di loro tramite fili o in modalità wireless purché entrambi i dispositivi supportino lo stesso protocollo.

Somiglianze tra SPI e UART

Entrambi sono usati per comunicare tra microcontrollori e dispositivi periferici. Entrambi i protocolli si basano sugli stessi principi:

Comunicazione seriale

Comunicazione seriale duplex

Entrambi questi protocolli utilizzano la comunicazione seriale duplex. Ciò significa che possono inviare e ricevere dati contemporaneamente, il che li rende ideali per i dispositivi che devono essere in grado di comunicare tra loro mentre svolgono altre attività allo stesso tempo, come un laptop che parla con la sua stampante.

Ciò consente ai protocolli SPI e UART di funzionare a velocità più elevate rispetto ad altre interfacce seriali, poiché non devono attendere una risposta prima di inviare un altro segnale.

Comunicazione a breve distanza

Sia SPI che UART sono utilizzati per la comunicazione a breve distanza. Ciò significa che trasmettono dati su pochi metri, piuttosto che su lunghe distanze come Ethernet. Sono entrambi utilizzati nei microcontrollori, che sono minuscoli computer che eseguono attività come il controllo di motori o sensori.

Elaborazione dati

Sia SPI che UART hanno un concetto simile di elaborazione dei dati. Entrambi sono dispositivi ricevitore-trasmettitore che utilizzano un'interfaccia di comunicazione seriale per inviare e ricevere dati. In SPI, il ricevitore è collegato al microprocessore, mentre in UART è collegato a un dispositivo periferico. Il microprocessore può inviare byte di dati attraverso il bus SPI o la linea UART ad alta velocità.

Differenze tra SPI e UART

Sono simili nel modo in cui consentono l'invio di dati tra dispositivi, ma presentano alcune differenze fondamentali tra loro.

Velocità

SPI utilizza quattro cavi dati per trasferire i dati ad alta velocità, mentre UART ne utilizza solo due, ecco perché i protocolli SPI possono trasferire i dati da e verso un dispositivo molto più velocemente rispetto ai protocolli UART.

Data Rates

SPI invia e riceve dati a una velocità elevata fino a 100 MHz, mentre UART invia e riceve dati a una velocità molto inferiore fino a 20 KBps. Ciò significa che UART può essere utilizzato per applicazioni a bassa velocità come l'invio di messaggi di testo, mentre SPI è più appropriato per applicazioni ad alta velocità come il controllo di motori o altri dispositivi hardware.

Interfaccia filo

SPI è un protocollo di comunicazione master/slave che opera in modalità full duplex. Il master fornisce informazioni allo slave, che le elabora e restituisce una risposta. Con SPI, è possibile avere più slave collegati sullo stesso bus, consentendo loro di comunicare tra loro contemporaneamente.

UART è un protocollo seriale semplificato che richiede solo una coppia di fili per l'invio e la ricezione dei dati. È possibile avere più dispositivi collegati sullo stesso bus utilizzando UART, ma non è possibile che parlino tutti contemporaneamente come è possibile con SPI.

Trasmissione dati

Tipicamente utilizzato per la trasmissione di dati ad alta velocità tra due dispositivi, come un microcontrollore e un altro chip o periferica. Il microcontrollore funge da dispositivo master, controllando il flusso di dati tra se stesso e il dispositivo slave. SPI può trasmettere più bit contemporaneamente, il che lo rende più efficiente di UART, ma richiede hardware più complesso su entrambe le estremità della connessione.

UART non va bene per la trasmissione ad alta velocità perché ogni bit deve essere inviato singolarmente; non c'è modo di inviare più bit contemporaneamente.

Vantaggi dell'SPI

SPI ha diversi vantaggi rispetto ad altri tipi di interfaccia. Questo è molto più veloce della comunicazione seriale, che richiede la trasmissione dei dati uno alla volta. Altri vantaggi includono:

Segnale basso/Conteggio pin

SPI offre un basso numero di segnali/pin, il che significa che è possibile utilizzare meno cavi per collegare il sistema rispetto a quanto si farebbe se si utilizzasse un altro tipo di interfaccia. Ciò rende SPI particolarmente utile quando si osservano dispositivi con fattore di forma ridotto o quando lo spazio è limitato.

Supporta diversi master

Consente a più master di comunicare tra loro. Questo lo rende ideale per l'uso nei microcontrollori, dove più dispositivi possono condividere lo stesso bus e ognuno invia dati da e verso il bus.

Ad esempio, un dispositivo basato su SPI potrebbe inviare dati a un altro dispositivo basato su SPI (come un dalla visualizzazione o sensore) senza doversi preoccupare se l'altro dispositivo ha completato o meno il suo compito.

Due fili per la comunicazione

Questo protocollo utilizza due fili per creare la comunicazione tra più dispositivi. SPI utilizza linee di clock e dati separate per inviare informazioni tra dispositivi. Il bus SPI ha un dispositivo master e uno o più dispositivi slave. Il master può comunicare con ciascuno degli slave inviando comandi in formato seriale sulla linea MOSI, inviando contemporaneamente i dati allo slave sulla linea MISO.

Adattarsi alle esigenze di diversi schiavi

SPI è adatto per le applicazioni in cui è necessario connettere più dispositivi slave a un controller host, ad esempio in un incorporato sistema o un sistema informatico. Il protocollo consente ai dispositivi slave di adattarsi alle esigenze del controller host, il che significa che può essere facilmente utilizzato per applicazioni come il collegamento di più sensori con requisiti di comunicazione diversi.

Svantaggi SPI

Sebbene SPI abbia molti vantaggi, inclusa la sua capacità di supportare più dispositivi, presenta anche alcuni svantaggi.

Complicato

SPI è un'interfaccia seriale che consente la comunicazione tra più dispositivi. Il problema con SPI è che può essere complicato da configurare, specialmente quando ci sono molti dispositivi nel mix.

Quando colleghi i dispositivi SPI, devi assicurarti che le linee non interferiscano tra loro e che non vengano incrociate. Ciò può causare problemi come perdita di dati o letture errate dai sensori.

Velocità più lenta

SPI è più lento di altri protocolli di comunicazione perché richiede più cicli di clock per trasferire i dati rispetto a loro. Questo può essere un problema se stai tentando di trasmettere una grande quantità di dati, poiché la velocità più lenta significherà che ci vorrà più tempo per trasferire tutte le informazioni.

Interfaccia Half Duplex

L'interfaccia SPI è un'interfaccia half-duplex, il che significa che se un dispositivo sta inviando dati, non può riceverne. Se il dispositivo non è pronto per inviare o ricevere dati, è necessario comunicargli di attendere finché non è pronto per farlo.

Vantaggi dell'UART

UART ha molti altri vantaggi rispetto ad altre interfacce seriali:

Non c'è bisogno di orologio

Gli UART non hanno bisogno di alcun tipo di orologio. Ciò significa che i dati vengono inviati a una velocità costante e non è necessaria la sincronizzazione. Ciò rende gli UART estremamente utili per l'invio di dati su lunghe distanze o attraverso ambienti rumorosi.

Con altri tipi di comunicazione seriale, come SPI o I2C, è necessario sincronizzare il mittente e il destinatario in modo che possano comunicare tra loro. Ciò significa che se c'è qualche tipo di ritardo in uno dei dispositivi, può causare problemi di comunicazione, ad esempio, se un dispositivo invia i suoi dati un po' più tardi di quanto previsto da un altro dispositivo, ciò può causare errori nella ricezione.

Facile da usare

Gli UART sono semplici da configurare e utilizzare perché non richiedono alcuna configurazione oltre al collegamento del pin dati al pin I/O appropriato sul microcontrollore. Hanno anche pochi pin, quindi puoi averne molti in a circuito singolo senza doversi preoccupare di utilizzare troppo spazio o energia.

Bit di parità per il controllo degli errori

Quando lavori con un'interfaccia seriale, è importante avere il controllo degli errori. Gli UART sono dotati di un bit di parità che consente il controllo degli errori, che può aiutare a garantire che i dati vengano trasmessi correttamente.

Svantaggi dell'UART

Mentre UART è una soluzione efficace per diverse applicazioni, ci sono alcuni svantaggi nell'usare il protocollo UART:

Dimensione frame Solo 9 bit

Ciò significa che la dimensione del frame, o la quantità di dati che possono essere inviati su un singolo cavo, è limitata a nove bit per frame. Se provi a inviare più di 9 bit in un frame, verrà troncato.

Bassa velocità di trasmissione dei dati

Il più grande svantaggio di UART è che ha una bassa velocità di trasmissione dei dati. Anche se questo potrebbe non essere un problema per le applicazioni semplici, può rappresentare un grave svantaggio per la trasmissione di dati ad alta velocità.

La ragione di ciò è che UART utilizza un solo cavo per la comunicazione e non utilizza alcuna tecnica di correzione degli errori.

Per questo motivo, UART non è adatto per applicazioni in cui è necessario trasmettere rapidamente grandi quantità di dati tra due dispositivi.

Impossibile utilizzare diversi sistemi master o slave

Se si desidera utilizzare più sistemi Master o Slave, è necessario assicurarsi che siano tutti sulla stessa frequenza di clock. In caso contrario, i tuoi dati verranno danneggiati.

È inoltre necessario prestare attenzione all'utilizzo di velocità di trasmissione diverse per lo stesso sistema master e slave. In tal caso, i dati non verranno elaborati correttamente.

SPI contro UART

Conclusione

Allora, qual è il verdetto? Quale protocollo bus dovresti usare? È SPI o UART? Beh, non c'è una risposta semplice a questo. La scelta migliore dipenderà probabilmente dalle esigenze del progetto e dalla familiarità con questi protocolli. Tuttavia, se si dispone di un sistema che utilizza già uno di questi protocolli, è meglio mantenerlo per mantenere la comunicazione coerente tra più sistemi.