📡 第4课：四种外设详解

I2C、SPI、UART、GPIO——嵌入式芯片最常用的四种通信接口，每种都实现了完整的工业协议。

1. I2C —— 两根线的"总线"

I2C（Inter-Integrated Circuit）只需两根线（SCL时钟 + SDA数据）就能挂载上百个设备。每个设备有唯一地址（7位=128个），主机轮询呼叫。

开漏输出：I2C 引脚不主动输出高电平——它只"拉低"（输出0）或"放手"（高阻态）。外接上拉电阻把线拉到高电平。这样做的好处：多个设备可以共享同一根线而不会短路（两个设备同时输出0和1时，0"赢"）。

rv_control 的 I2C 是主机模式（只有 CPU 发起通信），不支持多主机仲裁和时钟拉伸（从设备不能拉慢时钟）。397 行代码，~470 个逻辑单元。

2. SPI —— 四根线的"高速通道"

SPI（Serial Peripheral Interface）比 I2C 快得多（可达 MHz 级别），但需要四根线：SCK（时钟）、MOSI（主机出从机入）、MISO（从机出主机入）、CS_N（片选，低有效）。

CPOL/CPHA 四种模式：配置"时钟空闲时是高还是低"和"在第几个边沿采样数据"，可以适配不同 SPI 设备。rv_control 支持全部 4 种模式。207 行代码，~300 个逻辑单元。

3. UART —— 最经典的"串口"

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）不需要时钟线——双方约定好波特率（比如 115200），各自用内部时钟判断每个 bit 的边界。

16× 过采样：每个 bit 周期内采样 16 次，取中间的第 8 次作为可靠值——避开 bit 边界的过渡区域。

8 字节 FIFO：发送和接收各有一个 8 字节深度的缓冲队列。CPU 可以一次性写入 8 个字符然后去干别的事，UART 慢慢发。rv_control 有 4 个 UART（UART0-3），每个 ~750 个逻辑单元——4 个 UART 合计 ~3000 单元，占芯片总面积的 37%，仅次于 CPU。

4. GPIO —— 16根"万能引脚"

GPIO（General-Purpose I/O）是最灵活的外设——每根引脚可以独立配置为输入或输出，还可以设置中断（电平触发或边沿触发）。

2级同步器：外部引脚信号是"异步"的（随时可能变化），直接读可能导致亚稳态。GPIO 用两个串联的触发器做"同步器"——第一个 FF 可能产生亚稳态，但第二个 FF 给它一整周期时间稳定下来。

5. 四种外设对比