【总线接口】3.常见总线、接口GPIO、I2C、SPI、I2S、Modbus

 初接触硬件，五花八门的总线、接口一定会让你有些疑惑，我尝试用一系列文章来解开你的疑惑。

系列文章

【总线接口】1.以Xilinx开发板为例，直观的认识硬件接口

【总线接口】2.学习硬件这些年接触过的硬件接口、总线 · 大汇总

【总线接口】3.常见总线、接口GPIO、I2C、SPI、I2S、Modbus

【总线接口】4.一些和串口相关的概念：UART、TTL、RS232、RS485、RS422、RJ45

【总线接口】5.模拟视频和数字视频接口大汇总：CVBS、S-video、Component、BNC、VGA、RCA

【总线接口】6.显示屏相关总线、接口：DVI、HDMI、SDI、DisplayPort、Camera link

【总线接口】7.音频相关接口

【总线接口】8.SD卡和SDOI

【总线接口】9.Serdes是个“大家族”

【总线接口】10.PCI与PCI-E

【总线接口】11.RAM和ROM的一些相关概念

【总线接口】12.关于DDR你了解多少？

【总线接口】13.常见的硬盘接口与相关协议

【总线接口】14.DDR、EEPROM、SATA的关系

【总线接口】15.硬件板卡上常见的FMC接口

【总线接口】16.汽车总线：CAN、LIN、MOST

【总线接口】17.常见的JTAG是个什么协议？

【总线接口】18.航电总线你了解多少？

【总线接口】19.简单介绍USB“大家族”

【总线接口】20.常见网络接口：RJ45

【总线接口】21.硬件板卡上常见的：M12、SMA

【总线接口】22.光模块：SFP、CFP与OSFP 

---

几条说明

1. 本文只罗列接口，这会是一个大系列的文章，让硬件新人系统的了解总线、协议、硬件接口；
2. 列表里总线、接口、连接器都有，混在一起了，后续文章会根据下面这个大致的划分，去简单介绍；
3. 有重复的列举；
4. 划分有不严谨的地方；

​

目录

系列文章

几条说明

1 硬件总线和接口

1.1硬件总线

1.2硬件接口

2 GPIO

2.1概念

2.2应用实例

3 I2C

3.1概念

3.2应用实例

4 SPI

4.1概念

4.2应用实例

5 I2S

5.1概念

5.2应用实例

6 Modbus

6.1概念

6.2应用实例

6.3Modbus RTU协议

6.4Modbus TCP协议

---

1 硬件总线和接口

1.1硬件总线

硬件总线是连接计算机各种功能部件之间的公共通信干线，是各部件间传输信息的公用通道。它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。硬件总线是一种内部结构，CPU、内存、输入、输出设备通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。硬件总线有一定的承载能力上限，我们把总线在单位时间内传输的数据量称为总线的带宽。硬件总线有多种分类方式，如按照信息传输的形式可分为并行总线和串行总线，按照连接的部件可分为芯片内总线和系统总线等。

1.2硬件接口

硬件接口（hardware interface）是指两个硬件设备之间的连接方式。它既包括物理上的接口，如USB接口、HDMI接口等，也包括逻辑上的数据传送协议，如IDE接口、SCSI接口等。硬件接口的作用是使不同的硬件设备能够相互协作、交换信息或提供服务，实现设备间的通信和控制。硬件接口有多种分类方式，如串行接口和并行接口等。

---

2 GPIO

2.1概念

GPIO的英文全称为General-Purpose Input/Output，中文含义是通用输入输出接口。GPIO是指数字信号的输入输出端口，通常用于连接外部硬件设备或传感器等，从而实现计算机与外部设备的通信和控制。GPIO可以通过软件进行配置，使其成为输入或输出模式，然后根据需要读取或写入数据。在嵌入式系统、微控制器、智能硬件等领域中，GPIO是非常常见的接口之一，它使得硬件和软件之间能够进行灵活的交互和控制。

2.2应用实例

如下图海思hi3516A对外提供GPIO接口

​

Hi3516A 支持 16 组 GPIO（ General Purpose Input/Output），即 GPIO0～GPIO15。每组GPIO 提供 8 个可编程的输入输出管脚（ GPIO15 只有 3 个）。每个管脚可以配置为输入或者输出。这些管脚用于生成特定应用的输出信号或采集特定应用的输入信号。作为输入管脚时， GPIO 可作为中断源；作为输出管脚时，每个 GPIO 都可以独立地清 0 或置 1。

GPIO 可以根据电平或跳变值产生可屏蔽的中断。 GPIOINTR（ General Purpose InputOutput Interrupt）信号给中断控制器一个指示，表示有中断发生。

---

3 I2C

3.1概念

I2C的英文全称为Inter-Integrated Circuit，中文含义是集成电路间总线。I2C是一种串行通信协议，用于连接微控制器和各种外围设备，如传感器、EEPROM、实时时钟等。它使用两根线：一根用于传输数据（SDA），另一根用于时钟（SCL）。I2C总线支持多设备连接，可以在总线上挂载多个设备，并通过地址码进行设备间的通信。

3.2应用实例

如下图海思hi3516A内部总线有挂接IIC总线

​

这里I2C 模块的作用是完成 CPU 对 I2C 总线上连接的从设备的读写。当 CPU 对从设备做写操作时， CPU 通过总线配置 I2C 模块的配置寄存器，然后发送控制信息和操作数到 I2C模块的数据通信寄存器； I2C 模块解析命令后将数据通道寄存器的数据通过 I2C 总线发给从设备，发送完毕后将最终的状态通过中断反馈给 CPU。 CPU 读取从设备数据的过程与写操作类似。

---

4 SPI

4.1概念

SPI的英文全称为Serial Peripheral Interface，中文含义是串行外设接口。SPI是一种同步串行通信协议，常用于微控制器和外围设备之间的通信，如闪存、传感器、RFID等。SPI使用四根线：一根用于传输时钟（SCK），一根用于主设备到从设备的数据传输（MOSI），一根用于从设备到主设备的数据传输（MISO），以及一根用于从设备的片选信号（Chip Select）。SPI通信速度快，数据传输效率高。

4.2应用实例

如下图海思hi3516A ISP控制器实现数据的串并、并串转换，可以作为 Master 与外部设备进行同步串行通信。支持 MOTOROLA 的 SPI、 TI 串行同步、 MicroWire 三种外设接口协议

​

---

5 I2S

5.1概念

I2S的英文全称为Inter-IC Sound，中文含义是集成电路间音频总线。I2S最初用于数字音频信号的传输，现已广泛应用于各种数字音频设备之间的通信。I2S使用三根线：一根用于传输时钟（SCK），一根用于数据（SD）和另一根用于声道选择（WS）。I2S支持多种采样率，可以传输左声道和右声道的数据。

I2S和I2C没有任何关系。

5.2应用实例

如下图I2S接CS4344立体声音频数模转换器 (DAC)方案

​

详细可参考：基于MM32F3270 I2S 使用 | MCU加油站

---

6 Modbus

6.1概念

Modbus的英文全称为Modicon Modbus，中文含义是莫迪康Modbus。Modbus是一种串行通信协议，常用于工业自动化领域中连接可编程逻辑控制器（PLC）和其他工业设备。Modbus使用两根线：一根用于传输数据（Serial Data），另一根用于接收时钟（Serial Clock）。Modbus支持多种数据传输模式，如ASCII码和RTU（远程终端单元）模式。

6.2应用实例

如下图一个自动化项目Modbus互联总线

​

在工业和楼宇自动化项目中，网络基础设施中不同现场总线设备的连接是已知的。面临的挑战是在在一个全面的IP网络中连接具有不同协议标准的不同制造商。现场总线级别的传感器和执行器通过 Modbus RTU 进行通信，必须集成到 Modbus TCP 网络中。

为了将Modbus RTU协议转换为Modbus TCP协议，需要使用Modbus网关。Modbus网关是Modbus RTU/Modbus TCP网关，主要将Modbus RTU协议转换为Modbus TCP协议（或相反）。

参考资料：METZ CONNECT | Network connection of Modbus RTU fieldbus components made easy

6.3Modbus RTU协议

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）协议是一种串行通信协议，属于应用层的一层协议。RTU协议是一种开放的、主要用于工业自动化领域的通信协议，常用于连接可编程逻辑控制器（PLC）和其他工业设备。Modbus RTU协议使用RS-232、RS-485或RS-422等串行接口进行通信，通过主从方式实现设备间的数据传输和控制。

在Modbus RTU协议中，通信的双方被称为“主站”和“从站”。主站负责发起通信请求，从站被动地响应主站的请求。主站通过发送数据请求报文来从从站中读取数据，从站接收到请求后，根据请求的内容返回相应的数据给主站。

Modbus RTU协议具有简单明了、易于组网的特点，因此在工业自动化领域得到了广泛应用。由于其开放性和互操作性，许多厂商都在其产品中实现了对Modbus RTU协议的支持，使得不同厂商的设备可以方便地进行互联和通信。

Modbus RTU协议的传输方式是半双工的，即数据只能在一个方向上传输。它采用二进制格式进行数据传输，相对于ASCII码来说更加高效和可靠。此外，Modbus RTU协议还支持多种数据传输模式，如点对点、多点通信等，可以满足不同应用场景的需求。

6.4Modbus TCP协议

Modbus TCP（Transmission Control Protocol）协议是一种基于以太网的通信协议，它将Modbus协议与TCP/IP协议相结合，实现了Modbus协议在以太网中的应用。

Modbus TCP协议使用TCP/IP协议进行数据传输，因此它可以在互联网上进行通信，也可以通过路由器和交换机等网络设备进行数据传输。与Modbus RTU协议不同，Modbus TCP协议是一种全双工的通信协议，即数据可以在两个方向上进行传输。

在Modbus TCP协议中，数据帧的结构与Modbus RTU协议类似，包括地址码、功能码、数据区和校验码等部分。但是，Modbus TCP协议没有采用RTU的二进制格式，而是采用了TCP的字节流格式进行数据传输。此外，Modbus TCP协议还支持多种以太网接口，如10Base-T、100Base-TX和1000Base-T等。

由于Modbus TCP协议具有高速、可靠和灵活的特点，因此在工业自动化领域得到了广泛应用。通过将Modbus协议与TCP/IP协议相结合，Modbus TCP协议可以方便地实现不同厂商的设备之间的互联和通信，提高设备的互操作性和集成度。