UART vs SPI | Differenze e somiglianze
Quando si lavora con i sistemi embedded, è importante capire le differenze tra le varie tecnologie e i protocolli che questi sistemi utilizzano. UART e SPI sono aspetti importanti della progettazione e dello sviluppo di sistemi embedded. Capire le differenze tra loro ti aiuterà a comprendere meglio il funzionamento dei sistemi che li utilizzano. In questo articolo ti spieghiamo cosa sono UART e SPI, ti spieghiamo le differenze tra UART e SPI, ti spieghiamo alcune applicazioni comuni che utilizzano UART e SPI e ti forniamo informazioni per aiutarti a eseguire il debug e a programmare i sistemi embedded che utilizzano UART o SPI.
Che cos'è l'UART?
UART è l'acronimo di Universal Asynchronous Receiver Transmitter. Ad alto livello, un UART è semplicemente un microchip che consente la comunicazione tra un dispositivo informatico (PC, sistema embedded, ecc.) e altri dispositivi.
Per capire meglio cosa fa un UART, è utile comprendere la comunicazione seriale e la comunicazione parallela. In questa sede forniremo un corso accelerato su questi due argomenti.
La comunicazione seriale prevede l'invio di dati, in parole povere, un bit alla volta su uno specifico bus di comunicazione. Sebbene l'RS-232 (si noti che l'UART è spesso utilizzato per l'RS-232) e l'RS-485 siano i due protocolli che più comunemente associamo al termine "comunicazione seriale", anche molte altre tecnologie moderne come l'USB (Universal Serial Bus) e il SATA (Serial ATA) e il Firewire / IEEE 1394 sono protocolli seriali. Uno dei vantaggi della comunicazione seriale è che i dati possono essere trasmessi a frequenze più elevate, aumentando la quantità di dati che possono essere inviati, anche se vengono inviati meno dati alla volta rispetto alla comunicazione parallela.
La comunicazione parallela, invece, invia più bit di dati contemporaneamente su un determinato bus di comunicazione. Ad esempio, un mezzo di comunicazione parallelo a 32 bit come un PCI (Peripheral Component Interconnect) convenzionale invia 32 bit di dati per ciclo di clock. Sebbene si possa pensare che questo dia alla comunicazione parallela vantaggi significativi in termini di velocità rispetto a quella seriale, in pratica la comunicazione seriale è più veloce perché può ospitare un maggior numero di cicli di clock al secondo (ad esempio la velocità in GHz).
Ma cosa c'entra tutto questo con l'UART? I semplici chip UART vengono utilizzati per convertire i dati seriali in arrivo in dati paralleli in modo che il sistema possa leggere i dati paralleli in uscita e, viceversa, convertirli in dati seriali prima di passarli ad altri sistemi. In altre parole, un UART permette a un sistema di agire come un dispositivo DTE (Data Terminal Equipment).
Prima di passare all'SPI, vediamo brevemente alcuni altri dettagli importanti sulla comunicazione UART:
- L'UART utilizza due fili: uno per la trasmissione (o Tx) e uno per la ricezione (o Rx).
- La comunicazione UART è asincrona, cioè non è sincronizzata con un orologio
- La distanza massima di comunicazione dell'UART è di 15 metri
- L'UART utilizza registri a scorrimento per convertire la comunicazione seriale in comunicazione parallela
- L'UART è comunemente utilizzata come "porta seriale" nei computer o nei microcontrollori
- L'UART supporta la comunicazione full duplex
Che cos'è l'SPI?
L'SPI (Serial Peripheral Interface) è un protocollo di comunicazione seriale originariamente sviluppato da Motorola che consente la comunicazione tra quasi tutti i dispositivi elettronici che supportano flussi seriali con clock. L'SPI utilizza un metodo di comunicazione master-slave che consente uno streaming veloce dei dati.
A differenza dell'utilizzo di soli due fili, l'SPI deve utilizzare almeno 4 fili. Poiché un'implementazione SPI può contenere più dispositivi slave, il numero effettivo di fili o tracce utilizzate è n + 3, dove n è il numero di dispositivi slave utilizzati.
Prima di continuare, vorrei fornire alcuni dettagli importanti sull'SPI:
- SPI è sincrono
- SPI è un protocollo semplice e con un basso overhead
- SPI supporta la comunicazione full duplex
- La comunicazione SPI non prevede un sistema di conferma o di controllo del flusso
- SPI non occupa molto spazio sulla scheda
UARTvs SPI - Differenze e somiglianze
Sebbene UART e SPI supportino entrambi la comunicazione full duplex, utilizzino entrambi la comunicazione "seriale" e siano entrambi adatti solo per casi di utilizzo a breve distanza, al di là di questo non ci sono molte somiglianze. Quali sono le differenze tra UART e SPI? La risposta è che ce ne sono molte. Qui ne analizzeremo alcune.
Hardware vs protocollo
Una delle differenze principali è che l'UART è un tipo di hardware, mentre l'SPI è un protocollo. Quando si ha a che fare con le sfumature del funzionamento di un sistema embedded, questo aspetto può essere facilmente trascurato. Tuttavia, l'UART è un hardware vero e proprio (un microchip) mentre l'SPI è un protocollo o una specifica per la comunicazione.
Numero di pin
Le UART utilizzano solo due pin, mentre i dispositivi SPI ne hanno bisogno di almeno 4. Quando si progetta un sistema, questo significa che SPI potrebbe non essere una soluzione interessante se i pin o le tracce scarseggiano.
Numero di dispositivi collegabili
Come conseguenza del numero di pin, i dispositivi UART e SPI supportano un numero diverso di dispositivi. L'UART, che utilizza solo Tx e Rx per la comunicazione in uscita, è di fatto limitata alla comunicazione 1:1. L'SPI, invece, può utilizzare il suo paradigma master/slave per consentire un numero eccessivo di comunicazioni.
Velocità di comunicazione
SPI è molto più veloce di UART. In alcuni casi, una soluzione SPI può essere tre volte più veloce di una soluzione UART.
Prezzo
In qualsiasi impresa tecnica, il costo di una particolare soluzione è un importante fattore di scelta. In generale, SPI è più economico di UART.
Asincrono vs sincrono
Come si può notare dalle descrizioni precedenti, un'altra differenza fondamentale nel confronto tra UART e SPI è che la comunicazione UART è asincrona, mentre SPI è sincrona.
Dimensioni
In generale, i dispositivi SPI occupano relativamente meno spazio rispetto ai chip UART. Ciò significa che i casi d'uso con spazio limitato sulla scheda possono essere meglio serviti da SPI
| Tecnologia | Tipo di trasferimento | Numero di fili/poli | Velocità dei dati @Distanza | Costo | Scalabilità | Casi d'uso |
| UART | Asincrono | 2 | 20 kbps @ 15m | Moderatamente costoso | Scarso (punto a punto) | Display diagnostici |
| SPI | Sincrono | 4+ | 250 Mbps @ .1m | Relativamente economico | Moderato | Collegamenti chip-to-chip ad alta velocità |
UART vs SPI: cosa dovrei usare?
Non esiste una risposta univoca alla domanda "UART vs SPI: quale dovrei usare?" La domanda è: "Quale dovrei usare?". Con le informazioni che ti abbiamo fornito qui, puoi decidere con cognizione di causa quale sia la soluzione migliore per una particolare applicazione a cui stai lavorando.
In generale, SPI è preferibile nelle applicazioni che richiedono una comunicazione più veloce tra i chip o in quelle che richiedono la comunicazione tra più dispositivi. D'altra parte, l'UART può essere più adatto per le applicazioni che devono percorrere una distanza leggermente maggiore, come i display diagnostici o altre applicazioni che richiedono il supporto della RS-232.
Strumenti per il debug e lo sviluppo UART vs SPI
Forniamo soluzioni per aiutarti a eseguire il debug e a sviluppare sistemi embedded. Data la prevalenza dell'SPI nei sistemi embedded, non sorprende che disponiamo di una serie di soluzioni per il debug e lo sviluppo di sistemi che utilizzano l'SPI.
Ad esempio, il nostro kit di sviluppo SPI consente agli sviluppatori di testare i dispositivi di destinazione come dispositivi master, di simulare un dispositivo master, di programmare dispositivi flash basati su SPI e di monitorare un bus SPI con una granularità fino a 20 nanosecondi.
In alternativa, un analizzatore di protocollo Total Phase può rivelarsi utile se hai bisogno di eseguire il debug dei dati trasferiti a o da un UART.
