GPIO, UART, SPI, I2C

2016 год, проект SpaceX Falcon 9. Первый раз ракета садится обратно на платформу. За этим стоят сотни MCU: GPIO-пины управляют клапанами двигателей, UART гонит телеметрию на землю, SPI обновляет flash с параметрами ориентации, I2C читает 12 датчиков давления с двух проводов. Четыре протокола - один шедевр инженерии.

• **Метеостанция:** I2C-датчики температуры, давления, влажности на 2 проводах + SPI-дисплей для отображения + UART для отправки данных на ПК
• **Дрон:** SPI-гироскоп/акселерометр (6000 Гц выборка), I2C-барометр (высота), UART-GPS, GPIO-управление моторами через PWM
• **Промышленный контроллер:** RS-485 (UART) для связи на 1 км, SPI-Flash для логов, I2C-EEPROM для настроек

Philips, 1980: изобретение I2C

В 1980 году инженеры Philips Semiconductors столкнулись с проблемой: телевизионные чипсеты требовали десятки интерфейсных линий между микросхемами. Ответом стал I2C - Inter-Integrated Circuit. Два провода, адресация до 128 устройств. Патент истёк в 2006 году - и протокол стал бесплатным для всех. SPI появился чуть раньше в Motorola (1979). UART ещё старше - 1960-е, IBM. Все три протокола пережили несколько поколений техники и живут в каждом современном устройстве.

Предварительные знания

• Microcontroller Architecture

GPIO: цифровые пины

2003 год. Первый коммерческий Arduino-прото ещё не существует, но в Atmel уже понимают: MCU нужен выход во внешний мир. **GPIO** (General Purpose Input/Output) - самый примитивный способ. Каждый пин - либо **вход** (читаем 0 или 1 - кнопка нажата?), либо **выход** (устанавливаем 0 или 1 - включить LED). Ни протокола, ни пакетов - один бит, один провод.

**GPIO** - универсальные пины ввода/вывода. Режимы: **Input** (чтение: floating, pull-up, pull-down), **Output** (запись: push-pull, open-drain), **Alternate Function** (UART, SPI, I2C - пин управляется периферией), **Analog** (ADC/DAC). Состояние выхода: **0** = GND (0V), **1** = VCC (3.3V или 5V).

**Скорость переключения** GPIO настраивается: Low (2 MHz), Medium (25 MHz), High (50 MHz), Very High (100 MHz). Высокая скорость = больше EMI и потребление тока. Для LED достаточно Low, для SPI-clock нужен High. Неправильная скорость - источник загадочных помех на осциллографе.

UART: последовательный порт

GPIO передаёт 1 бит на 1 провод. Для текста, чисел и команд нужен **протокол**. Самый простой - **UART** (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Два провода: TX (передача) и RX (приём). Именно через UART отладочные printf() попадают в терминал на ПК. Каждый embedded-разработчик видел `/dev/ttyACM0` - это он.

**UART** - асинхронный последовательный протокол. Параметры: **Baud rate** (скорость, обычно 9600 или 115200 бод), **формат кадра** 8N1 = 8 бит данных + No parity + 1 stop бит. Нет тактового сигнала - передатчик и приёмник должны договориться о baud rate заранее. Линия в покое = 1 (idle), начало кадра = 0 (start bit).

**Главная ошибка новичков:** baud rate на передатчике и приёмнике ДОЛЖЕН совпадать. Если MCU настроен на 115200, а терминал на 9600 - в терминале будет мусор. UART асинхронный - нет тактового сигнала, который бы синхронизировал.

SPI: быстрая синхронная шина

UART хорош для отладки, но дисплей на 240x320 пикселей - это 76800 байт на кадр. При 115200 бод - 5 секунд на один кадр. Катастрофа. Для быстрого обмена существует **SPI** (Serial Peripheral Interface) - синхронный протокол с отдельным тактовым сигналом. Скорости до **50+ MHz**. Один кадр дисплея - 12 миллисекунд.

**SPI** - синхронный, full-duplex протокол с 4 сигналами: **MOSI** (Master Out Slave In - данные от мастера), **MISO** (Master In Slave Out - данные от slave), **SCK/SCLK** (тактовый сигнал от мастера), **CS/SS** (Chip Select - выбор slave, active low). MCU = master, датчик/дисплей = slave.

**SPI Mode (CPOL/CPHA):** 4 комбинации определяют, по какому фронту SCK данные фиксируются. Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0) - самый распространённый. Несовпадение Mode между master и slave = мусор. Всегда проверяйте datasheet устройства!

I2C: мультиустройственная шина

Умные часы, 2013 год. Датчик пульса, акселерометр, барометр, гироскоп, магнитометр, EEPROM для настроек. SPI потребовал бы 6 линий CS + 3 общих = 9 дополнительных пинов только на периферию. **I2C** (Inter-Integrated Circuit) - два провода на всё: **SDA** и **SCL**. До 128 устройств. Уникальный 7-битный адрес на каждое.

**I2C** (произносится «ай-ту-си» или «ай-сквэрд-си») - синхронный, half-duplex протокол с адресацией. Два провода: **SDA** (Serial Data) и **SCL** (Serial Clock), оба с pull-up резисторами к VCC. Скорости: Standard (100 kHz), Fast (400 kHz), Fast Plus (1 MHz), High Speed (3.4 MHz). Master генерирует SCL, slave отвечает по адресу.

**Когда что использовать?** I2C - для медленных датчиков (температура, давление, акселерометр), когда важна экономия пинов. SPI - для быстрых устройств (дисплей, Flash, SD-карта), когда скорость важнее числа проводов. UART - для связи с ПК, GPS-модулями, Bluetooth.

Ключевые идеи

• **GPIO** - базовый ввод/вывод: push-pull/open-drain выходы, pull-up/pull-down входы, скорость до 100 MHz
• **UART** - асинхронный последовательный протокол (2 провода), до 3 Mbaud, отладка и связь точка-точка
• **SPI** - синхронный, full-duplex, до 50+ MHz, 4 провода + CS на каждый slave: Flash, дисплеи, SD-карты
• **I2C** - синхронный, 2 провода на 128 устройств, 100 kHz - 3.4 MHz, идеален для датчиков

Связанные темы

Интерфейсы - практическое применение знаний об архитектуре MCU:

• Архитектура микроконтроллеров — Memory-Mapped I/O - так MCU обращается к регистрам UART/SPI/I2C
• Таймеры и PWM — PWM через GPIO для управления моторами и яркостью LED

Вопросы для размышления

• Проектируется умные часы с датчиком пульса, акселерометром, дисплеем и Bluetooth-модулем. Какой интерфейс подходит для каждого компонента и почему?
• I2C использует open-drain с pull-up резисторами. Почему нельзя использовать push-pull для шины, к которой подключены несколько устройств?
• GPIO - как отдельный нерв (вкл/выкл), I2C - как адресная шина спинного мозга. Какая аналогия подходит для SPI и UART?

Связанные уроки

• emb-02 — Memory-Mapped I/O - основа обращения к регистрам UART/SPI/I2C
• emb-04 — PWM через GPIO для управления моторами и яркостью LED
• rob-03 — ROS 2 на роботах использует SPI/I2C для сенсоров и UART для GPS
• rts-01 — Real-time ограничения диктуют выбор протокола: SPI vs I2C
• par-01 — DMA-передача по SPI/UART - параллелизм на уровне железа
• emb-05 — ADC/DAC работают через те же GPIO Alternate Function пины
• net-01-intro