Von DerSchneider<\/strong><\/p>\n\n\n\n Einleitung: Die Sprache der Ger\u00e4te<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bisher haben wir uns mit dem Inneren eines Embedded Systems besch\u00e4ftigt \u2013 mit seiner Architektur, seinem Takt, seiner direkten Kommunikation \u00fcber Register und Interrupts. Doch ein System allein ist selten. In der realen Welt m\u00fcssen Mikrocontroller mit anderen Komponenten sprechen: mit Sensoren, die Daten liefern, mit Aktoren, die Befehle ausf\u00fchren, mit Speicherchips, die mehr Platz bieten, mit anderen Controllern, die zusammenarbeiten.<\/p>\n\n\n\n F\u00fcr diese Gespr\u00e4che braucht es gemeinsame Sprachen \u2013 standardisierte Protokolle, die festlegen, wie Bits \u00fcbertragen werden, wer wann sprechen darf und wie Fehler vermieden werden. In der Embedded World haben sich drei Protokolle als die unangefochtenen Standards etabliert: UART, I2C und SPI. Jedes hat seine St\u00e4rken, seine Schw\u00e4chen und seinen typischen Einsatzzweck.<\/p>\n\n\n\n Dieser Artikel f\u00fchrt durch diesen Wald der Schnittstellen. Wir lernen die drei gro\u00dfen „Sprachen“ der Embedded-Kommunikation kennen, verstehen ihre Unterschiede und wissen, wann man welche einsetzt.<\/p>\n\n\n\n Hauptteil<\/strong><\/p>\n\n\n\n 1. Die Grundbegriffe: Was alle Protokolle gemeinsam haben<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bevor wir in die Details der einzelnen Protokolle einsteigen, kl\u00e4ren wir einige Begriffe, die f\u00fcr alle gelten:<\/p>\n\n\n\n Synchron vs. Asynchron:<\/strong> Bei synchroner Kommunikation gibt es ein separates Taktsignal, das den Rhythmus vorgibt. Sender und Empf\u00e4nger sind durch diesen gemeinsamen Takt verbunden. Bei asynchroner Kommunikation gibt es keinen gemeinsamen Takt \u2013 beide Seiten m\u00fcssen sich vorher auf eine Geschwindigkeit (Baudrate) einigen und den Takt selbst erzeugen.<\/p>\n\n\n\n Seriell vs. Parallel:<\/strong> Serielle Kommunikation \u00fcbertr\u00e4gt Bits nacheinander \u00fcber eine Leitung. Parallele Kommunikation \u00fcbertr\u00e4gt mehrere Bits gleichzeitig \u00fcber mehrere Leitungen. Seriell ist langsamer, braucht aber weniger Leitungen \u2013 in der Embedded World fast immer die bessere Wahl.<\/p>\n\n\n\n Halbduplex vs. Vollduplex:<\/strong> Halbduplex bedeutet, dass in beide Richtungen gesendet werden kann, aber nicht gleichzeitig. Vollduplex erlaubt gleichzeitiges Senden und Empfangen.<\/p>\n\n\n\n Master vs. Slave:<\/strong> In vielen Protokollen gibt es einen Master, der den Takt vorgibt und die Kommunikation steuert, und einen oder mehrere Slaves, die antworten. (Die Begriffe sind historisch gewachsen und werden zunehmend durch alternative Bezeichnungen wie „Controller“ und „Peripheral“ ersetzt.)<\/p>\n\n\n\n 2. Der Urvater: UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)<\/strong><\/p>\n\n\n\n Beginnen wir mit dem \u00e4ltesten und einfachsten Protokoll: UART. Es ist die Grundlage der klassischen seriellen Schnittstelle, wie sie fr\u00fcher an Computern f\u00fcr Maus und Modem verwendet wurde.<\/p>\n\n\n\n Prinzip:<\/strong> UART ist asynchron und arbeitet mit nur zwei Leitungen: TX (Senden) und RX (Empfangen). Beide Seiten m\u00fcssen sich vorher auf eine gemeinsame Geschwindigkeit einigen \u2013 die Baudrate, typisch 9600, 115200 oder 1.000.000 Bit pro Sekunde.<\/p>\n\n\n\n Wenn keine Daten gesendet werden, liegt die Leitung auf HIGH (logisch 1). Der Beginn einer \u00dcbertragung wird durch ein Startbit markiert (Leitung auf LOW). Dann folgen die Datenbits (meist 8), oft ein Parity-Bit zur Fehlererkennung, und mindestens ein Stopbit (wieder HIGH), das das Ende markiert.<\/p>\n\n\n\n St\u00e4rken:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Schw\u00e4chen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Typische Anwendungen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n In der Arduino-Welt ist UART allgegenw\u00e4rtig. Der serielle Monitor, \u00fcber den wir Daten anzeigen, nutzt genau dieses Protokoll.<\/p>\n\n\n\n 3. Der Allesk\u00f6nner: I2C (Inter-Integrated Circuit)<\/strong><\/p>\n\n\n\n I2C, entwickelt von Philips in den 1980er Jahren, ist der Star unter den Embedded-Protokollen. Es erlaubt, viele Ger\u00e4te mit nur zwei Leitungen zu verbinden.<\/p>\n\n\n\n Prinzip:<\/strong> I2C braucht zwei Leitungen: SCL (Clock) f\u00fcr den Takt und SDA (Data) f\u00fcr die Daten. Beide Leitungen sind „Open-Drain“ \u2013 sie werden \u00fcber Pull-up-Widerst\u00e4nde auf HIGH gezogen, und jedes Ger\u00e4t kann sie auf LOW ziehen.<\/p>\n\n\n\n Es gibt immer einen Master (meist der Mikrocontroller), der den Takt vorgibt. Jedes Ger\u00e4t hat eine eindeutige Adresse (7 oder 10 Bit). Wenn der Master mit einem bestimmten Ger\u00e4t sprechen will, sendet er dessen Adresse auf den Bus. Das adressierte Ger\u00e4t antwortet, und dann k\u00f6nnen Daten ausgetauscht werden.<\/p>\n\n\n\n St\u00e4rken:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Schw\u00e4chen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Typische Anwendungen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n I2C ist der ideale Bus f\u00fcr die Innenwelt eines Ger\u00e4ts \u2013 viele Komponenten, wenige Leitungen, gem\u00e4chliches Tempo.<\/p>\n\n\n\n 4. Der Sprinter: SPI (Serial Peripheral Interface)<\/strong><\/p>\n\n\n\n Wenn es schnell gehen muss, kommt SPI zum Einsatz. Es ist das Rennpferd unter den Embedded-Protokollen.<\/p>\n\n\n\n Prinzip:<\/strong> SPI braucht vier Leitungen:<\/p>\n\n\n\n SPI ist vollduplex \u2013 es k\u00f6nnen gleichzeitig Daten in beide Richtungen flie\u00dfen. Der Master gibt den Takt vor und w\u00e4hlt durch das SS-Signal aus, mit welchem Slave er spricht. Alle anderen Slaves ignorieren den Bus.<\/p>\n\n\n\n St\u00e4rken:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Schw\u00e4chen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Typische Anwendungen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n SPI ist die Wahl, wenn es auf Geschwindigkeit ankommt \u2013 aber der Preis ist mehr Leitungen und komplexere Verkabelung bei vielen Ger\u00e4ten.<\/p>\n\n\n\n 5. Vergleich: Wann nehme ich was?<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die folgende \u00dcbersicht hilft bei der Wahl:<\/p>\n\n\n\n Faustregeln:<\/strong><\/p>\n\n\n\n 6. Erweiterungen und Derivate<\/strong><\/p>\n\n\n\n Nat\u00fcrlich gibt es von diesen drei Grundprotokollen unz\u00e4hlige Varianten und Erweiterungen:<\/p>\n\n\n\n UART-Derivate:<\/strong><\/p>\n\n\n\n I2C-Derivate:<\/strong><\/p>\n\n\n\n SPI-Derivate:<\/strong><\/p>\n\n\n\n 7. Ein Praxisbeispiel: Sensordaten auslesen mit I2C<\/strong><\/p>\n\n\n\n Stellen wir uns vor, wir wollen einen Temperatursensor (z.B. den ber\u00fchmten LM75) \u00fcber I2C auslesen. Der Sensor hat die Adresse 0x48 (typisch f\u00fcr viele I2C-Ger\u00e4te).<\/p>\n\n\n\n Der Ablauf auf dem Bus:<\/p>\n\n\n\n In der Arduino-Welt reduziert sich das auf:<\/p>\n\n\n\n c<\/p>\n\n\n\n Hinter diesen wenigen Zeilen verbirgt sich das gesamte Protokoll \u2013 die Bibliothek erledigt den Rest. Aber zu wissen, was da eigentlich passiert, hilft ungemein beim Debuggen, wenn mal etwas nicht funktioniert.<\/p>\n\n\n\n 8. Fehlersuche im Protokoll-Dschungel<\/strong><\/p>\n\n\n\n Wenn die Kommunikation nicht klappt, sind die h\u00e4ufigsten Fehler:<\/p>\n\n\n\n Bei UART:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei I2C:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei SPI:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Ein Logikanalysator ist hier das Werkzeug der Wahl. Er zeigt die tats\u00e4chlichen Signale auf dem Bus und macht sichtbar, was wirklich passiert.<\/p>\n\n\n\n Fazit und Ausblick<\/strong><\/p>\n\n\n\n UART, I2C und SPI sind die drei S\u00e4ulen der lokalen Kommunikation in Embedded Systems. Jedes hat sein Einsatzgebiet, seine St\u00e4rken und Schw\u00e4chen. Wer sie beherrscht, kann fast jedes Ger\u00e4t an seinen Mikrocontroller anschlie\u00dfen.<\/p>\n\n\n\n Doch die Kommunikation ist nur ein Teil. Das Programm, das diese Kommunikation steuert, muss irgendwo laufen \u2013 und zwar oft ohne Betriebssystem, direkt auf der nackten Hardware.<\/p>\n\n\n\n Mit dieser Welt des „Bare-Metal“-Programmierens besch\u00e4ftigen wir uns im n\u00e4chsten Artikel.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Der Wald der Schnittstellen \u2013 Kommunikation im Kleinen (UART, I2C, SPI) Von DerSchneider Einleitung: Die Sprache der Ger\u00e4te Bisher haben wir uns mit dem Inneren eines Embedded Systems besch\u00e4ftigt \u2013 mit seiner Architektur, seinem Takt, seiner direkten Kommunikation \u00fcber Register und Interrupts. Doch ein System allein ist selten. 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Kriterium<\/th> UART<\/th> I2C<\/th> SPI<\/th><\/tr><\/thead> Leitungen<\/td> 2 (TX\/RX)<\/td> 2 (SDA\/SCL)<\/td> 3 + n (SCLK, MOSI, MISO + SS pro Slave)<\/td><\/tr> Teilnehmer<\/td> 2<\/td> Viele (Adressen)<\/td> Viele (\u00fcber SS)<\/td><\/tr> Geschwindigkeit<\/td> Mittel (bis ~1 Mbit\/s)<\/td> Langsam (100 kHz – 3,4 MHz)<\/td> Hoch (10-50 MHz)<\/td><\/tr> Synchronit\u00e4t<\/td> Asynchron<\/td> Synchron<\/td> Synchron<\/td><\/tr> Duplex<\/td> Halbduplex (meist)<\/td> Halbduplex<\/td> Vollduplex<\/td><\/tr> Komplexit\u00e4t<\/td> Sehr einfach<\/td> Mittel (Protokoll)<\/td> Einfach (Hardware)<\/td><\/tr> Entfernung<\/td> Gut (einige Meter)<\/td> Kurz (Board-intern)<\/td> Sehr kurz (Board-intern)<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n \n
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