UART, SPI, और I2C सीरियल कम्युनिकेशंस कैसे काम करते हैं, और हम अभी भी उनका उपयोग क्यों करते हैं

चाहे वह कंप्यूटर बाह्य उपकरणों, स्मार्ट उपकरणों, इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) उपकरणों, या इलेक्ट्रॉनिक हो मापने के उपकरण, वे सभी विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक घटकों को जोड़ने के लिए धारावाहिक संचार प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं साथ में।

इन घटकों में आमतौर पर एक माइक्रोकंट्रोलर और स्लेव मॉड्यूल जैसे फिंगरप्रिंट सेंसर, एक ESP8266 (वाई-फाई मॉड्यूल), सर्वो और सीरियल डिस्प्ले शामिल होते हैं।

ये उपकरण विभिन्न प्रकार के संचार प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं। नीचे आप कुछ सबसे लोकप्रिय धारावाहिक संचार प्रोटोकॉल के बारे में जानेंगे कि वे कैसे काम करते हैं, उनके फायदे और वे उपयोग में क्यों रहते हैं।

सीरियल कम्युनिकेशन क्या है?

1838 में मोर्स कोड के आविष्कार के बाद से सीरियल संचार प्रोटोकॉल यहां रहे हैं। आज, आधुनिक धारावाहिक संचार प्रोटोकॉल समान सिद्धांतों का उपयोग करते हैं। दो कंडक्टरों को एक साथ बार-बार छोटा करके एक ही तार पर सिग्नल उत्पन्न और प्रसारित होते हैं। यह लघु एक स्विच की तरह कार्य करता है; यह बाइनरी सिग्नल प्रदान करते हुए (उच्च) और बंद (निम्न) को चालू करता है। यह संकेत कैसे प्रसारित और प्राप्त किया जाता है, यह उपयोग किए जाने वाले धारावाहिक संचार प्रोटोकॉल के प्रकार पर निर्भर करेगा।

ट्रांजिस्टर के आविष्कार और उसके बाद के नवाचारों के साथ, इंजीनियरों और टिंकररों ने समान रूप से प्रसंस्करण इकाइयों और मेमोरी को छोटा, तेज और अधिक शक्ति-कुशल बना दिया। इन परिवर्तनों ने बस संचार प्रोटोकॉल को तकनीकी रूप से उन्नत होने की मांग की क्योंकि घटकों को जोड़ा जा रहा है। इस प्रकार UART, I2C और SPI जैसे सीरियल प्रोटोकॉल का आविष्कार हुआ। हालाँकि ये सीरियल प्रोटोकॉल कई दशक पुराने हैं, फिर भी इन्हें माइक्रोकंट्रोलर और बेयर-मेटल प्रोग्रामिंग के लिए पसंद किया जाता है।

UART (यूनिवर्सल एसिंक्रोनस रिसीवर-ट्रांसमीटर)

UART प्रोटोकॉल सबसे पुराने लेकिन सबसे विश्वसनीय सीरियल संचार प्रोटोकॉल में से एक है जिसका हम आज भी उपयोग करते हैं। यह प्रोटोकॉल दोनों घटकों के संचार के लिए दो तारों का उपयोग करता है जिन्हें Tx (ट्रांसमिट) और Rx (रिसीव) के रूप में जाना जाता है।

डेटा संचारित करने के लिए, ट्रांसमीटर और रिसीवर दोनों को पांच सामान्य कॉन्फ़िगरेशन से सहमत होना चाहिए, ये हैं:

• बॉड स्पीड: कितनी तेजी से डेटा प्रसारित किया जाना है इसकी संचरण गति।
• डेटा की लंबाई: बिट्स की सहमत संख्या जिसे रिसीवर अपने रजिस्टरों में सहेजेगा।
• बिट प्रारंभ करें: एक कम सिग्नल जो रिसीवर को यह बताता है कि डेटा कब स्थानांतरित होने वाला है।
• स्टॉप बिट: एक उच्च संकेत जो रिसीवर को यह बताता है कि आखिरी बिट (सबसे महत्वपूर्ण बिट) कब भेजा गया है।
• समता द्वियक: भेजा गया डेटा सही था या दूषित, यह जांचने के लिए या तो उच्च या निम्न सिग्नल का उपयोग किया जाता है।

चूंकि UART एक अतुल्यकालिक प्रोटोकॉल है, इसलिए इसकी अपनी घड़ी नहीं है जो डेटा ट्रांसमिशन गति को नियंत्रित करती है। एक विकल्प के रूप में, यह समय के लिए बॉड दर का उपयोग करता है जब थोड़ा सा प्रसारित किया जा रहा है। UART के लिए उपयोग की जाने वाली सामान्य बॉड दर 9600 बॉड है, जिसका अर्थ है 9600 बिट प्रति सेकंड की संचरण दर।

यदि हम गणित करते हैं और एक बिट को 9600 बॉड से विभाजित करते हैं, तो हम गणना कर सकते हैं कि रिसीवर को एक बिट डेटा कितनी तेजी से प्रेषित होता है।

1/9600 =104 माइक्रोसेकंड

इसका मतलब है कि हमारे यूएआरटी डिवाइस 104 माइक्रोसेकंड की गिनती शुरू कर देंगे ताकि यह पता चल सके कि अगला बिट कब प्रसारित होगा।

जब यूएआरटी डिवाइस कनेक्ट किए गए हैं, तो डिफ़ॉल्ट सिग्नल हमेशा ऊंचा हो जाता है। जब यह कम-आवृत्ति संकेत का पता लगाता है, तो रिसीवर बिट्स को अपने रजिस्टरों (मेमोरी) में सहेजना शुरू करने से पहले 104 माइक्रोसेकंड और अन्य 52 माइक्रोसेकंड गिनना शुरू कर देगा।

चूंकि यह पहले से ही सहमत था कि आठ बिट्स डेटा की लंबाई होनी चाहिए, एक बार जब यह आठ बिट्स डेटा सहेज लेता है, तो यह जांचने के लिए समता की जांच करना शुरू कर देगा कि डेटा विषम या सम है या नहीं। समता जांच के बाद, स्टॉप बिट उपकरणों को सूचित करने के लिए एक उच्च संकेत देगा कि डेटा के पूरे आठ बिट सफलतापूर्वक रिसीवर को प्रेषित किए गए थे।

केवल दो तारों का उपयोग करने वाला सबसे न्यूनतम सीरियल प्रोटोकॉल होने के नाते, यूएआरटी आमतौर पर आज स्मार्ट कार्ड, सिम कार्ड और ऑटोमोबाइल में उपयोग किया जाता है।

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एसपीआई (सीरियल पेरिफेरल इंटरफेस)

एसपीआई एक अन्य लोकप्रिय सीरियल प्रोटोकॉल है जिसका उपयोग लगभग 20 एमबीपीएस की तेज डेटा दरों के लिए किया जाता है। यह कुल चार तारों का उपयोग करता है, अर्थात् SCK (सीरियल क्लॉक लाइन), MISO (मास्टर आउट स्लेव इन), MOSI (मास्टर इन स्लेव आउट), और SS/CS (चिप सेलेक्ट)। यूएआरटी के विपरीत, एसपीआई केवल एक मास्टर के साथ कई दास उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए मास्टर-टू-स्लेव प्रारूप का उपयोग करता है।

MISO और MOSI UART के Tx और Rx की तरह काम करते हैं जिनका उपयोग डेटा संचारित करने और प्राप्त करने के लिए किया जाता है। चिप सेलेक्ट का उपयोग यह चुनने के लिए किया जाता है कि मास्टर किस दास के साथ संवाद करना चाहता है।

चूंकि SPI एक सिंक्रोनस प्रोटोकॉल है, यह मास्टर और स्लेव डिवाइस दोनों एक ही आवृत्ति पर चल रहे हैं यह सुनिश्चित करने के लिए मास्टर से एक अंतर्निहित घड़ी का उपयोग करता है। इसका मतलब है कि दोनों उपकरणों को अब बॉड दर पर बातचीत करने की आवश्यकता नहीं है।

प्रोटोकॉल की शुरुआत मास्टर द्वारा स्लेव डिवाइस से जुड़े विशिष्ट SS/CK के सिग्नल को कम करके स्लेव डिवाइस का चयन करने से होती है। जब दास को कम संकेत मिलता है, तो वह SCK और MOSI दोनों को सुनना शुरू कर देता है। मास्टर तब डेटा वाले बिट्स को भेजने से पहले एक स्टार्ट बिट भेजता है।

MOSI और MISO दोनों पूर्ण-द्वैध हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक ही समय में डेटा संचारित और प्राप्त कर सकते हैं।

कई दासों से जुड़ने की क्षमता के साथ, पूर्ण-द्वैध संचार, और अन्य की तुलना में कम बिजली की खपत I2C, SPI जैसे सिंक्रोनस प्रोटोकॉल का उपयोग मेमोरी डिवाइस, डिजिटल मेमोरी कार्ड, ADC से DAC कन्वर्टर्स और क्रिस्टल में किया जाता है स्मृति प्रदर्शित करता है।

I2C (इंटर-एकीकृत सर्किट)

I2C अभी तक SPI की तरह एक और सिंक्रोनस सीरियल प्रोटोकॉल है, लेकिन इसके कई फायदे हैं। इनमें कई स्वामी और दास रखने की क्षमता, सरल संबोधन (चिप की कोई आवश्यकता नहीं) शामिल हैं Select), विभिन्न वोल्टेज के साथ काम करना, और दो पुल-अप से जुड़े केवल दो तारों का उपयोग करना प्रतिरोधक

I2C का उपयोग अक्सर कई IoT उपकरणों, औद्योगिक उपकरणों और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है।

I2C प्रोटोकॉल में दो पिन एसडीए (सीरियल डेटा लाइन) हैं जो डेटा प्रसारित और प्राप्त करते हैं, और एससीएल (सीरियल क्लॉक लाइन) पिन, जो एक घड़ी के रूप में कार्य करता है।

1. प्रोटोकॉल अपने एसडीए पिन से एक स्टार्ट बिट (कम) भेजने के साथ शुरू होता है, उसके बाद एक सात-बिट पता जो दास का चयन करता है, और एक बिट पढ़ने या लिखने के लिए चुनने के लिए।
2. प्रारंभ बिट और पता प्राप्त करने के बाद, दास तब मास्टर को एक पावती बिट भेजता है और आने वाले प्रसारण के लिए एससीएल और एसडीए को सुनना शुरू कर देता है।
3. एक बार जब गुरु इसे प्राप्त कर लेता है, तो वह जानता है कि सही दास से संबंध बना लिया गया है। मास्टर अब उस दास से किस विशिष्ट रजिस्टर (मेमोरी) का चयन करेगा जिसे वह एक्सेस करना चाहता है। यह एक और आठ बिट भेजकर यह निर्दिष्ट करता है कि किस रजिस्टर का उपयोग किया जाना है।
4. पता प्राप्त करने पर, दास अब मास्टर को एक और पावती भेजने से पहले चयन रजिस्टर को पढ़ता है।
5. यह चुनने के बाद कि कौन सा विशिष्ट दास और उसके कौन से रजिस्टर का उपयोग करना है, मास्टर अंत में दास को डेटा बिट भेजता है।
6. डेटा भेजे जाने के बाद, मास्टर के स्टॉप बिट (उच्च) के साथ समाप्त होने से पहले एक अंतिम स्वीकृति बिट मास्टर को भेजा जाता है।

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सीरियल कम्युनिकेशंस यहां रहने के लिए क्यों हैं

समानांतर और कई वायरलेस प्रोटोकॉल के उदय के साथ, धारावाहिक संचार कभी भी लोकप्रियता से बाहर नहीं हुआ है। आम तौर पर डेटा ट्रांसमिट करने और प्राप्त करने के लिए केवल दो से चार तारों का उपयोग करते हुए, सीरियल प्रोटोकॉल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए संचार का एक आवश्यक तरीका है जिसमें केवल कुछ पोर्ट बचे होते हैं।

एक अन्य कारण इसकी सादगी है जो विश्वसनीयता में बदल जाती है। एक बार में केवल कुछ ही तार डेटा भेजने के साथ, सीरियल ने प्रसारित होने पर बिना किसी नुकसान या भ्रष्टाचार के डेटा के पूरे पैकेट को भेजने के लिए अपनी विश्वसनीयता साबित कर दी है। उच्च आवृत्तियों और लंबी दूरी के संचार पर भी, धारावाहिक प्रोटोकॉल आज भी उपलब्ध कई आधुनिक समानांतर संचार प्रोटोकॉल को हराते हैं।

हालाँकि कई लोग सोच सकते हैं कि UART, SPI और I2C जैसे सीरियल संचार में नुकसान है पुराने और पुराने होने के कारण, तथ्य यह है कि उन्होंने कई बार अपनी विश्वसनीयता साबित की है दशक। बिना किसी वास्तविक प्रतिस्थापन के पुराने होने के प्रोटोकॉल केवल यह सुझाव देते हैं कि वे वास्तव में अपरिहार्य हैं और निकट भविष्य के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाते रहेंगे।

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