Synchrone und asynchrone Kommunikation von Single-Chip-Mikrocontrollern

Dies ist ein grundlegendes Konzept in der Mikrocontroller-Kommunikation. Hier ist eine detaillierte Aufschlüsselung der synchronen und asynchronen Kommunikation, speziell im Kontext von Ein-Chip-Mikrocontrollern.

Kernkonzept: Das Taktsignal

Der Hauptunterschied liegt darin, wie der Zeitpunkt der Datenübertragung verwaltet wird.

• Synchrone Kommunikation: Die beiden Geräte teilen sich ein gemeinsames Taktsignal (SCL, SCK). Die Daten werden zu bestimmten Zeitpunkten (steigende oder fallende Flanke) dieses Taktimpulses gesendet und empfangen. Dies synchronisiert Sender und Empfänger.

• Asynchrone Kommunikation: Es gibt kein gemeinsames Taktsignal. Stattdessen müssen sich beide Geräte im Voraus auf die Geschwindigkeit der Kommunikation (die Baudrate) einigen. Sie verlassen sich auf ihre eigenen internen Taktgeber und verwenden Start-/Stopp-Bits, um jedes Byte zu rahmen.

1. Synchrone Kommunikation

Bei der synchronen Kommunikation werden Daten in Blöcken (Frames oder Paketen) übertragen, oft begleitet von einem kontinuierlichen Taktsignal.

Funktionsweise:

1. Ein Master-Gerät (normalerweise der Mikrocontroller) erzeugt das Taktsignal.

2. Der Master sendet einen Datenblock (z.B. ein Byte oder ein 16-Bit-Wort) Bit für Bit über eine Datenleitung (z.B. MOSI).

3. Das Slave-Gerät liest jedes Bit zu einem bestimmten Zeitpunkt, definiert durch die Flanke des Taktsignals.

4. Dieser Prozess setzt sich für den gesamten Datenrahmen fort. Da der Takt immer läuft, sind keine Start-/Stopp-Bits für jedes Byte nötig, was es für große Datenmengen effizienter macht.

Gängige Protokolle:

• SPI (Serial Peripheral Interface): Ein sehr verbreitetes, einfaches und schnelles 4-Draht-Protokoll.

  • Leitungen: SCLK (Serial Clock), MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SS/CS (Slave Select/Chip Select).

  • Vorteile: Sehr hohe Geschwindigkeit, Vollduplex (Daten können gleichzeitig gesendet und empfangen werden), einfache Hardware.

  • Nachteile: Benötigt mehr Pins (3 + 1 pro Slave), keine integrierte Fehlerprüfung, kein Bestätigungsmechanismus.

• I²C (Inter-Integrated Circuit): Ein Zwei-Draht-Protokoll, das häufig für die Kommunikation mit Sensoren, EEPROMs und anderen Peripheriegeräten verwendet wird.

  • Leitungen: SDA (Serial Data), SCL (Serial Clock).

  • Vorteile: Nur zwei Drähte, unterstützt mehrere Master und Slaves (jeder Slave hat eine eindeutige Adresse), hat Bestätigungsbits (ACK/NACK) für eine grundlegende Fehlerprüfung.

  • Nachteile: Langsamer als SPI, komplexeres Protokoll, anfällig für Störungen auf langen Leitungen.

Merkmale:

• Geschwindigkeit: Allgemein höher due to the continuous clock and no overhead per byte.

• Komplexität: Die Hardware ist oft simpler (besonders SPI), aber das Protokoll kann komplexer sein (besonders I²C).

• Effizienz: Effizienter für die Übertragung großer, kontinuierlicher Datenblöcke.

• Anzahl der Geräte: SPI benötigt eine dedizierte Chip-Select-Leitung pro Slave, was die Skalierbarkeit erschwert. I²C skaliert einfach mit Adressen.

2. Asynchrone Kommunikation

Bei der asynchronen Kommunikation werden Daten als einzelne Bytes oder Zeichen gesendet, die jeweils von Start- und Stopp-Bits eingerahmt werden, ohne gemeinsamen Takt.

Funktionsweise (UART):

1. Die Datenleitung wird auf high (Leerlaufzustand) gehalten.

2. Ein Start-Bit (logisch low) signalisiert den Beginn eines Datenrahmens.

3. Die Datenbits (normalerweise 8 Bits) werden nacheinander gesendet.

4. Ein optionales Paritätsbit kann zur grundlegenden Fehlererkennung folgen.

5. Ein oder mehrere Stopp-Bits (logisch high) signalisieren das Ende des Rahmens und setzen die Leitung wieder in den Leerlaufzustand.

6. Der Empfänger verwendet seinen intern generierten Takt, der auf die vorab vereinbarte Baudrate eingestellt ist, um die Datenbits in der Mitte ihres erwarteten Zeitfensters abzutasten.

Gängiges Protokoll:

• UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Kein Kommunikationsprotokoll an sich, sondern eine Hardware-Komponente, die asynchrone serielle Kommunikation implementiert.

  • Gängiger Standard: RS-232, RS-485, TTL-Serial.

  • Leitungen: Typischerweise zwei: TX (Transmit) und RX (Receive). (Hinweis: Masse (GND) ist ebenfalls essentiell).

  • Vorteile: Sehr einfach, benötigt nur zwei Drähte für die grundlegende Kommunikation, weit verbreitet und unterstützt.

  • Nachteile: Erfordert eine präzise Übereinstimmung der Baudraten, Overhead durch Start-/Stopp-Bits (z.B. 2 Bits Overhead für 8 Bits Daten = 20% Overhead), keine integrierte Adressierung oder Multi-Drop-Fähigkeit in ihrer Grundform.

Merkmale:

• Geschwindigkeit: Begrenzt durch die Genauigkeit der internen Oszillatoren und die Notwendigkeit, eine Baudrate zu vereinbaren. Allgemein langsamer als synchrone Methoden.

• Komplexität: Das Protokoll ist sehr einfach, aber die UART-Hardware selbst kann komplex sein (ist jedoch in fast allen Mikrocontrollern integriert).

• Effizienz: Weniger effizient due to the start/stop bit overhead for each byte.

• Anzahl der Geräte: Typischerweise Punkt-zu-Punkt (Eins-zu-Eins). Für Multi-Drop (Vielteilnehmerbetrieb) sind zusätzliche Hardware und Adressierung im Datenprotokoll (wie Modbus) erforderlich.

Vergleichstabelle

Zusammenfassung und Wann man was verwendet

• Verwenden Sie synchrone Kommunikation (SPI/I²C), wenn:

  • Sie hohe Geschwindigkeit benötigen (z.B. für Displays oder Speicherchips).

  • Sie mit vielen onboard Peripheriegeräten auf derselben Leiterplatte kommunizieren.

  • Effizienz für große Datenübertragungen wichtig ist.

• Verwenden Sie asynchrone Kommunikation (UART), wenn:

  • Sie einfache, langstrecken Kommunikation benötigen (z.B. mit einem PC über USB-zu-Serial, oder einem anderen Mikrocontroller in einem anderen Gehäuse).

  • Das Peripheriegerät sie von Natur aus verwendet (z.B. GPS, Bluetooth, altmodische Sensoren).

  • Sie eine Debugging-Konsole benötigen, um Nachrichten von Ihrem Mikrocontroller auszugeben.

Die meisten realen Mikrocontroller-Projekte verwenden eine Kombination aus beiden. Ein Projekt könnte beispielsweise verwenden:

• I²C zum Auslesen von Temperatur und Druck from a sensor.

• SPI zum Schreiben von Daten auf ein OLED-Display.

• UART zum Senden der Daten an einen Computer zur Protokollierung oder an ein Bluetooth-Modul zur drahtlosen Übertragung.