RTOS训练营I2C和UART知识和预习安排 + 晚课提问

Posted 2022-12-06 韦东山

一、I2C

对于I2C，在芯片内部有I2C控制器。

他的结构如下图：

我们配置好I2C控制器之后，去读写寄存器就可以了。

但是在我们的视频里，我们使用GPIO引脚来模拟I2C。

我们先来看看 I2C的协议，这是硬件连接图：

一个主芯片，多个从芯片。

假设我们的arm是主芯片，他要去访问这条i2c总线上面的多个设备，他要怎么做呢？

我讲i2c协议时，举了一个体育老师发球的例子：

我们来看一下i2c总线上的数据是怎么传输的：

首先提醒对方：发出S信号（S为Start，开始信号）

怎么规定S信号呢？

你看平时这两条引脚都是高电平，然后SDA从高变低，这就是S信号。

我们使用i2c控制器来写程序的话，就是：写某个寄存器的某一位，他就会自动的帮你发出S信号。

我们用gpio来模拟I2C的话怎么做呢?

针对这段代码，我们来画个图：

在i2c协议里面, S信号的低电平维持多长时间并没有规定，

只要知道两个引脚一开始的时候都是高电平，然后SDA来一个低电平，这就是S信号。

这个体育老师要发球给某一个学生，他得点名，这就是发出地址。

老师是想把球发给他，而不是让这学生传回球，所以还有个方向。

S信号之后，主设备要发出设备地址，并且发出数据的传输方向。

设备地址是7位，数据传输方向是1位，加起来就是8位。

主设备就像老师一样，老师点名学生要回答：到。

主设备发出设备地址、发出数据的读写方向，如果有这个设备存在的话，他要回应。怎么回应呢？

主设备发出7位的地址、1位的方向之后，马上释放SDA，也就是说这个时候SDA是高电平。

如果对方是被存在的话，他就会把SDA拉低。主设备会检测sda，他发现：哦，有人把这个SDA拉低了，那么这个设备肯定是存在的。

讲到这里，这就涉及到I2C传输的精妙之处了。

大家可以看到在这个传输过程中，发送方控制SDA的时间有8个时钟，在第9个时钟是由接收方来控制的。

也就是说这个SDA他一会由发送方控制，一会由接收方控制。

如果大家的时间都管理得很精确，这个时间你控制；另外一个时间，我控制。

大家的时间没有交叉，这不会有任何问题。

但是万一大家的时间有交叉怎么办？

就比如说发送方把这个引脚设置成高电平，
接收方同一时间我把这个引脚设置成低电平，
同一个引脚，一方写高，另一方写低，它不就冲突了吗？搞不好会烧坏引脚。

怎么办呢？

这就引入了开漏电路，我来画一个图：

怎么避免冲突呢？

那就是如果有一个人想把这个引脚设置成高电平的话，他就什么都不做，把决定权交给别人。

什么意思呢？

发送方想让这个引脚发出低电平的时候，在发送方内部，它就相当于把这个引脚接到地。

那发送方想让这个引脚发出高电平的时候，他怎么做？

再看这图，我在发送方，我想让这个引脚发出高电平。

我有两种方法：

1.让这引脚在内部接到电源

但是这种方法我们刚才说过了，有可能会跟别人发生冲突。

2.就像上面的图一样，使用第2种方法，
如果他想发出高电平，他就把这个引脚和芯片内部的模块给断开。

他说：我想发出高电平，你又怕我跟别人冲突，那我就不管了，爱怎么滴就怎么滴

他不管了，那么这个电平是高还是低？

由上拉电阻决定。

发送方想发出高电平，又怕他跟别人冲突，
于是他就啥都不管了，这时候电平由上拉电阻决定。

发送方想发出高电平，接收方突然想发出低电平，会发生什么事呢？

我们画个图：

图里面蓝色的就是接收方，他想发出低电平，
在芯片内部，它就相当于把这个引脚接到地。

这个引脚，一边要发出1，另外一边要发出0，它最终的结果是啥？

就是低电平。

有没有冲突呀？发送方你啥都不管了。
引脚电平：由上拉电阻 和 另外一方决定。

在这种操作下，不会出现烧坏电路的情况。

我们在图里面，用红色叉号表示说断开这个引脚。

在芯片内部它是使用三极管来实现的，我们再来画一个图：

再看看图里面左边。
当他想发出高电平的时候，经过一个反向器进入到三极管，三极管截止，就相当于这个SDA跟左边芯片断开。

当主芯片想发出低电平的时候，经过一个反向器进入到三极管，三极管导通，就相当于SDA接地。

主机发出S信号，发出设备地址和方向，得到回应之后：就可以来发出、或者读取数据了。

发出什么数据，读取什么数据，每个芯片的含义都不一样。

我们随便选一个存储芯片来看一下：

既然是存储芯片，我们就可以写数据，也可以从里面读到数据。

我要写数据时，写存储空间的哪个地址？写什么数据？

所以在图里面你可以看到：红色1的地方就是存储地址，红色2的地方就是数据。

对于写操作，地址值和数据值，都是主设备备发给存储设备。

对于读操作呢？你要读哪一个存储地址？这个地址应该由主设备发给从设备。

读到的数据，应该由从设备返回给主设备。

所以读存储芯片的数据，会涉及两个I2C操作，一个是写地址，另外一个是读数据。

在上面的图里你可以看到读操作，会涉及两个S信号。

第1个S信号之后是写操作，第2个S信号之后是读操作。

我们再来看看oled：

S信号之后是设备地址，然后是一个控制字节，接下来就是数据。

这个在视频里面都讲得比较清楚了，简单举几个例子：

对oled，我们可以给他发命令，就比如说启动它，关闭它：
在上面这个函数发的那个0x00就表示说我要发一个命令给你了，发的命令到底是什么？就是cmd参数。

那要发数据的话怎么发？在下面这个函数，它要先发出0x40这个值，然后才是数据本身data。

这些设备的i2c数据含义, 都要去看这些设备的芯片手册。

二、UART

现在我们来讲UART，UART大家经常用。

我们画一个图里面只有一条线：

左边怎么给右边，怎么通过一条线发出数据？

关键在于每一位维持的时间，都是双方事先约定好，也就是波特率。

一开始的时候这个引脚是高电平，他想发送数据了，他把这个引脚设置为低电平维持一段时间。这就是通知对方，说：喂，我准备发出数据了

发送方这边，就接下来在每一段时间里发出一位数据。

接收方这边，就是在每一段时间里来读取引脚，得到一位数据

UART的协议比较简单，因为两边都要约定好非常精确的时间。

所以一般来说，不可能使用引脚来模拟串口。

假设你用引脚来模拟串口的话，有可能会被中断程序打断呀，这样时间不就乱套了吗。

所以对于串口，都会使用芯片里面的串口模块。

我们配置好串口模块之后，想发送数据的话，把数据写入某个寄存器就可以了。

串口模块会把这些数据一位一位地发送出去。

串口模块会从接收引脚上检测信号，把那些数据一位一位的读进来，组合成8位数据之后，你就可以去读寄存器了得到数据了。

对于串口章节，比较有意思的就是环形缓冲区了

三：预习安排

布置一下预习的视频和文档：

就像今天有个同学提的建议一样，预习的时候不仅要有视频，也要有文档。

文档和源码在这里：

对于项目一, 主要是给大家打基础，前面有C语言基础，有HAL开发的基础，
后面我就要讲怎么设计出一个比较优秀的程序，这个程序的框架怎样做才可以比较容易扩展，比较容易移植。

星期天的时候我们来做一个全天的视频!

直播, 把C语言彻底地掌握了。

大家关注一下公众号，公众号没写好，然后会有一些转发奖励。

因为我们的直播会持续差不多6个小时，大家最好来现场参与，否则你第2天想去看的时候，你不可能看6个小时的

四、 晚课学员提问

1. 问： I2C开始信号中，SCL低电平时间最短多少？

答： 最短多长没看过资料，但是肯定不能太短，太短的话对方都检测不到这个信号。低电平最长多长，具体数值我也没去看，只要对方芯片不会自动进入休眠状态就可以。在I2C协议里面，这个时钟它并不需要很准确，根本就不需要准确。通信的双方，只要有一个说我还没准备好，他就可以把SCL拉低让对方等他一会。

2. 问： 在使用GPIO模拟I2C中，延时会不会受到其他中断任务的影响？

答： 肯定会受到影响，delay时间容易被其他任务、容易被中断 延长。如果对方的设备，对于时序要求非常高的话，那就不能够用gpio来模拟。我们使用gpio模拟的时候，主要是因为没有I2C控制器，或者不够用。

3. 问： 在使用GPIO模拟I2C中， 不要delay可以吗？

答： 不加delay也可以的原因在于：

4. 问： 在使用GPIO模拟I2C中，上拉电阻多大合适？

答： 10K左右。你要问我原因，我也说不上准确的原因，100K我也试过，1K、2K，10K、100K都行。只要是上拉就可以，这主要跟内部的晶体管，那个三极管或者MOS管有关系: 能让他导通就可以。

5. 问： GPIO模拟和芯片内部控制哪个好？实际工作中用哪种？

答： 有I2C控制器，就使用I2C控制器；没有的话才使用GPIO来模拟。

6. 问： 为什么现在好多芯片都有硬件iic 大家都不用 ，说不稳定，非要用gpio模拟？

答： 实际上有硬件就用硬件，没硬件才用gpio来模拟，以前说是难用，应该是某一款芯片的I2C硬件有BUG。然后大家以讹传讹，一直以为有bug。我们去访问某些I2C设备时，如果不追求效率的话，用引脚来模拟，主要是因为懒，懒得去看I2C的寄存器操作。就比如我移植rt-smart到IMX6ULL的时候，要去操作触摸屏，一开始我们也懒得去看那些寄存器，直接用GPIO模拟好了。

7. 问： I2C中，主机发完S信号，要回检吗？ 如果有设备没有准备好，是不是还不能立即发送地址？

答： 这个问题我暂时没法回答，在时序图里面，他并没有监测SDA。但是I2C，它有总线冲突的检测机制，现在我也没有办法去查资料，他肯定有回检的功能的。

8. 问： 如果2个进行IIC通讯，怎么确定设备的地址？

答： 这个地址由程序来决定。温湿度传感器芯片内部那个程序，不是我们写的，是厂家写的，他也会去判断SDA线上传输的地址值是不是他的

9. 问： 硬件I2C是不是限制管脚的？

答： 是的， I2C模块能够使用外部引脚,就几个，这要看芯片手册确认。

10. 问： 为什么有的需要NACK 有的需要 ACK？

答： NACK 就是不回应。
就比如说你要写数据给从设备，从设备每收到一个数据都会给你回应。
但从机有时可能不会回应，比如回应时刚好发生了中断，此时主设备设计程序就需要考虑不理会ACK信号。

11. 问： 如果最后一位发的是0，确认也是0，那么主设备怎么判断从设备到底有没有确认？

答： 送完第8位数据的时候，主机方一定要设置SDA为1，然后在第9个时钟读取引脚。

12. 问： 怎么确定有没有开漏？

答： 看芯片手册。

13. 问： Pushpull会讲到吗？

答： 看我同事录制的视频里面讲的很清楚：

14. 问： 图里的Clock line held low by receiver and/or transmitter是什么意思?

答： 意思是：Scl为低电平的时候，大家都暂停i2c操作。

也就是说我发送着发送着，唉，发现我有些忙不过来，我可以把scl拉低：让对方的从设备等待一会。

也可以反过来：接收方得到数据之后，发现，唉，这个数据比较难处理，我得花很长时间。他就可以把scl拉低让发送方等待一会。

15. 问： Input是用的什么电路不影响sda的？

答： 一个引脚被配置成输入时，他就是高阻状态 ，不会影响到外面的电路

16. 问： 老师，第九个时钟设成高阻态可以吗？

答： 可以在第9个时钟，发送方不要去影响到别人，设置成高阻状态是可以的。

17. 问： 有没有讲解串口接收字符串的？

答： 你可以用环形缓冲区来接收字符串，这字符串要有一个分隔符。一般就是回车换行，用回车换行来区分：上一个字符串、下一个字符串。

18. 问： 串口通信和IIC通信的距离一般多长？

答： I2C使用TTL电平时，就是在电路板上传输，也就厘米量级吧(比如10cm)，TTL电平也是厘米量级的。将串口转化成RS232电平，则是米量级比如5米。

19. 问： 环行缓冲区定义的不是指针，为什么视频里按地址算，更像计数器。

答： 在视频里面说指针只是一个习惯性的说法，应该就像你说的就是一个计数器。

20. 问： 老师，讲解下FIFO和回调函数？

答：

UART是一个很慢的设备。

我们使用窗口时，很多时候是突发地要传很多数据，比如：printf("hello, world");。

为了提高效率，串口模块内部有一个FIFO缓冲区。

你可以一次性的写入多个字节的数据,然后就不管了，串口模块会从FIFO缓冲区里面把那些数据一个一个的取出来发送出去。

接收缓冲区也是类似的，别人可能一次性的给你发来很多个串口数据，串口模块把这些数据收起来之后，也放入FIFO缓冲区。

我们应用程序去读串口的时候，就可以一次性的读出多个数据。

回调函数，在串口中断里面用到：

你不想去修改中断的处理函数，但是你又想在发生中断时去做一些事情，

就可以提供一个回调函数，在串口的中断服务程序里面，它会去调用你提供的这个函数。

21. 问： 串口里面，双发约定时间，例如传输1个位的时间是200ns，波特率是多少，硬件串口波特率最大支持多大？

答： 串口的波特率最大也就是兆级别的。传出一个位需要200纳秒，波特率就是：1/200ns = 1000,000,000/200 = 5,000,000 波特率。一秒钟可以传输500万位。

问一个问题，波特率设置为115200，起始位是一位，数据位是8位，停止位是一位，没有校验位。115200的波特率，1秒钟可以传多少字节？

传输一个字节。一个字节是8位，但是需要一个起始位，一个停止位，也就是说传输一个字节需要10位。所以就是：115200/10 = 11520。

22. 问： 老师，两个假期想好好学习单片机裸机程序，用103那款开发板 1、预告下国庆前的课程安排 2、AT 、HAL库智能家居，Freeros入门大概各讲解多少课时？

答： At指令很快，纯操作而已，没有问题的话10分钟就过了。

HAL库智能家居，主要是锻炼大家编程的习惯，怎么抽象出一个结构体，怎么让程序更容易移植、扩展。
可能大家会反馈的问题比较多，所以这个我暂且认为是4次课

Freeros入门大概各讲解多少课时？ 写的参考书有11、12章，估计要讲7、8次课

23. 问： 老师，环形缓冲区可以用来协议解析吗？

答： 当然可以，环形缓冲区只是用来接收数据而已，防止数据丢失，你当然可以用来解析协议了。

24. 问： 能讲讲你IIC和串口调试过程中常遇到的问题吗？这些问题的调试思路是什么？遇到问题了怎么划分是硬件问题还是软件问题？？

答： I2C最大问题就是总线被占用, 就是scl老是为低电平。

解决这个问题的方法就是：我先用gpio来模拟，我就看看谁把这个引脚拉低了。

对于串口一般来说不会有什么问题，主要就是处理不过来导致数据丢失。

25. 问： 请教老师一个问题，如果进入串口中断后，进入中断服务函数的话，然后在中断服务函数中加入接收数据处理函数的话，会不会影响其他的函数，或者跑飞。

答： 中断程序里面要尽可能快地退出，所以我们一般来说就在串口中断程序里面，把数据放入环形缓冲区。

26. 问： ESP8266本来是一个MCU，用AT固件方便开发。那这样我能自己写一个类似AT固件一样的程序，然后处理指令吗，一般数据是怎么处理的呢，因为串口是一个个位这样收发数据的？

答： 一条指令它以回车换行结束，所以你接收到一个一个字符之后，判断一下是回车换行的话就表明接收到了完整的指令。

27. 问： C语言malloc创建的只能在堆么？C++中new出来的对象能通过重载new的技巧使对象创建在静态区或者栈区，C语言有什么技巧可以这样做么？ 如果有的话，可以在周日直播讲讲技巧？

答： 在上一次课里面我们讲了，你可以去定义一个很大的数组，
然后去管理这个数组，你看这个堆不就在数据段里了吗。

28. 问： 老师，printf重定向那个是什么原理？

答： 别被“重定向”给唬住了，就是：printf里调用到fputc函数。

这个函数你写串口的话就是打印到串口。

这个函数你写屏幕的话，就是打印到屏幕。

29. 问： 这个fputc哪里指定的？C库吗？换一个平台之后还一样是fputc吗？？

答： 自己写的：

30. 问： 老师，我想问下变量和函数命名的规范，驼峰式和下划线式哪个好？是不是针对不同的场景会采用不同的方式？？

答： 看个人喜欢，驼峰式 好看一点。

31. 问： fputc 是不是类似于HAL库里的回调，自己写同名的就会用自己写的？

答： 应该是weak属性，你提供自己的代码的话，就用你自己的。

32. 问： 老师，如果智能家居显示不使用OLED，而是电容触摸屏使用LVGL来管理，实时性更强了，那工程是怎么管理，项目是怎么实现的 我能裸机移植LVGL使用，但是我不知道怎么结合FreeRTOS，一堆东西脑子乱成一团了

答： 我同事对LVGL了解比较深，我还没有去看LVGL。
我大概的看了一下，lvgl里面，他已经实现了"事件"驱动

能不能这样：lvgl本身作为一个任务，其他不涉及界面操作的，也拆分为任务。

33. 问： 另外，教学视频里面，环形缓冲区extern 了结构体test_buffer，这个变量很多地方都被调用了哦，如果我要改点东西，直接牵一发而动全身了，有什么好办法吗？

答： 不应该这么做的，不建议直接去访问全局变量，而是放到一个函数里面去访问。

34. 问： 如果裸机层面的底层驱动没有弄的很清楚的话。比如can，网口等。直接学操作系统会不会有点更不上产品级的项目？

答： 在一个项目里面，底层驱动的占比不会很大的，所以你不用担心。

35. 问： 老师，视频hal库的i2c和oled驱动程序看的很吃力怎么办，看是能看懂但是建立不起体系？

答： 这种你要去多练习，故意找一个不一样的模块来写程序，多写几个就明白。

36. 问： 老师，对于ESP的wifi/bt二合一产品，是用AT开发比较多还是IDF？另外使用IDF开发是不是很难？

答： 如果要在ESP上开发程序，用IDF。

37. 问： 老师，如何真正做到模块化，每个模块化功能移植下就能用，每次移植的时候会有很多的其他变量都要屏蔽掉，是不是要少用extern？

答： 一般来说都不要暴露出变量，除非说这个变量很重要，是只读的 。就比如linux中的jiffies。

38. 问： 老师，有一个基本概念不懂，用ttl转usb模块接电脑的时候，为什么单片机的地要和ttl转usb模块接一起。

答： 双方要有一个参考的电位，就是共地。

39. 问： 老师，如何真正做到模块化，每个模块化功能移植下就能用，每次移植的时候会有很多的其他变量都要屏蔽掉，是不是要少用extern？

答： 这模块要尽可能独立，不要去引用别人的东西。

40. 问： 想请问一下，网页控制单片机怎们实现的，是HTTP转串口吗？ 纯小白，想先去学习一下

答： 单片机是一个web服务器，通过浏览器来访问单片机。

41. 问： 如何 提高 数据结构 算法 设计模式 操作系统原理 编译原理 软件架构 这些内功？

答： 操作系统原理、编译原理 ，学的话是有帮助，但是停下来去学习他的话代价太大。