1-Wire在微處理器中的搜索算法的研究

羅正生

（四川攀枝花學院，攀枝花 617000）

0 引言

隨著微處理的高速發展，微處理系統外圍接口從原來的并行方式為主被串行方式代替。通常的串行擴展接口和串行擴展總線有：UART的移位寄存器方式，MOTOROLA公司的SPI，NS公司的Microwire，和Dallas公司的1-Wire總線等。而1-Wire總線是一種最簡單的總線形式，它通過單條連接線完成了全部的控制、通信和供電，節省了I/O口，降低了系統成本并簡化了設計。1-Wire 器件不僅解決了主機/配件之間的所有互聯問題，而且僅僅需要一個專用接點即可達到這一目的[1]。

1 搜索算法

1-Wire器件與微控制器的硬件配置比較簡單。作為主機的微控制器通過1根I/O口與1-Wire器件的數據線相連，外接一個4.7kΩ的上拉電阻；微控制器的地線與1-Wire器件的地線相連。在標準速率下，1-Wire總線的最大速率為16.3kbps.在高速模式下,速率可達142kbps[2]。

1-Wire器件的應用關鍵在于軟件算法的實現。每片1-Wire器件都有唯一的64位序列碼，它存儲在只讀存儲器（ROM）中。在1-Wire網絡中，序列碼用于主機對從機器件進行逐一尋址。我們采用的搜索算法是二叉樹型結構，搜索過程沿各分節點進行，直到找到的ROM碼，即葉子為止。后續的搜索操作沿著節點上的其他路經進行，按照同樣的方式直到找到總線上的所有器件代碼。搜索算法首先通過復位（Reset）和在線應答脈沖（Presence Pulse）時隙將1-Wire總線上的所有器件復位；成功地執行該操作后，發送1個字節的搜索命令；搜索命令使1-Wire器件準備就緒、開始進行搜索操作。

搜索命令分為兩類：標準搜索命令（0FH）用來搜索連接到網絡中的所有器件；報警或有條件搜索命令（ECH）只用來收縮那些處于報警狀態下的期間，這種方式縮小了搜索范圍，可以快速查找到所需注意的器件。搜索命令發出之后，開始搜索。首先總線上的所有從機器件同時發送ROM碼（也叫注冊碼）中的第一位（最低有效位）。與所有的1-Wire通信一樣，無論是讀取數據還是向從機器件寫數據，都由1-Wire主機啟動每一位操作。按照1-Wire的特點，當所有從機器件同時應答主機時，結果相當于全發送數據位的邏輯AND；從機發送其ROM碼的第一位后，主機啟動下一位操作、接著從機發送第一位數據的補碼；從兩次讀到的數據位可以對ROM碼的第一位做出表2的判斷。

按照搜索算法的要求，1-Wire主機必須向總線上的從機發回一個指定位；如果從機器件中ROM碼的當前位的值與該數據位匹配，則繼續參與搜索過程；若從機器件的當前位與之不匹配，則該器件轉換到等待狀態，并保持等待狀態直到下一個1-Wire復位信號到來。其余63位ROM碼的搜索依然按照這種“讀兩位”、“寫一位”的模式進行重復操作。表1為主機和從機的搜索過程。

表 1 1-Wire主機和從機的搜索過程

可以看出，如果所有總線上的器件在當前位具有相同值，那么只有一條分支路徑可選。總線上沒有器件相應的情況是一種異常狀態，可能是要查找的器件在搜索過程中與1-Wire總線脫離。如果當前位既有0也有1，這種情況稱為位值差異，它對在后續搜索過程中查找器件起關鍵作用。搜索伏安法制定在第一輪查找中若出現差異（數據位/補碼 = 0/0），則選用“0”路徑。記錄最后一次值差異的位置提供下一次搜索使用，搜索算法計算還對最初8位過程中出現的最后一次位差異保持跟蹤；64位注冊碼的前8位是家族碼，在器件的搜索過程中可以按照其家族碼進行分類。記錄家族碼的最后一次差異可以用于有選擇性地跳過1-Wire器件的整個分組。如需進行選擇性地搜索，可參考關于高級變量搜索的詳細解釋。64位ROM碼中包括8位循環冗余校驗（CRC）；CRC值用于校驗是否搜索到正確的ROM碼。

2 搜索命令

圖1 搜索算法流程圖

“FIRST”操作是搜索1-Wire縱向上的第一個從機器件。該操作是通過將LastDiscrepancy、LastFamilyDiscrepancy和LastDeviceFlag置零，然后進行搜索完成的。最后ROM碼從ROM_NO寄存器中讀出。若1-Wire總線上沒有器件，復位序列就檢測不到應答脈沖，搜索過程中止。高級變量搜索有3種利用同一組狀態變量LastDescrepancy、LastFamilyDiscrepancy、LastDeviceFlag、ROM_NO實現的高級變化搜索可以得到三種高級變量搜索算法，這幾種高級搜索算法允許來指定作為搜索目標的器件的類型（家族碼）或者是制定需要跳過或驗證某類型的器件是否在線。

“TARGET SETUP”操作就是用預置搜索狀態的方式首先查找一個特殊的家族類型，每個1-Wire都有一個字節的家族碼內嵌在ROM碼中，逐級可以通過家族碼來識別器件按所具有的特性和功能。如1-Wire總線上有多片器件是，通常是將搜索目標首先定位在需注意的器件類型上。為了將一個特殊的家族作為搜索目標，需要將所希望的家族碼字節方到ROM_NO寄存器的第一個字節中，并且將ROM_NO寄存器的復位狀態置零[3]。

3 搜索算法的應用

有了上面的搜索算法以及高級變量搜索，利用1-Wire的通訊協議就可以很容易辨別在單總線上的多節點1-Wire器件。用搜索算法可以很容易找出在總線上某一家族碼的所有1-Wire器件，通過微機的串口可以向總線上具有某一特定的家族碼的1-Wire器件中寫入希望的內容，圖1列出了對一個器件進行搜索的流程圖[4]。

圖中com_id_bit是id_bit的補碼，是搜索過程中所有應答期間的id_bit_number位的補碼的邏輯AND；id_bit是在位搜索中第一次讀取的值，是搜索過程中所有應答期間的id_bit_number位的邏輯AND；id_bit_number是記錄當前搜索1到64位ROM中的哪一位的量；LastDeviceFlag是指明前一次搜索歸的已經是最后一個器件的標志位；LastDiscrepancy是位指針，指明下次搜索從哪一個差異值開始；last_zero是上次被寫入0的值差異位的位置；ROM_NO是記錄當前正在查找的ROM注冊碼的8字節緩沖器；search_direction是位變量，其值用來指明方向，具有此數據位規定值的所在器件繼續響應操作，其他器件轉入等待狀態直到下一次1-wire復位[4]。

4 結束語

由于1-Wire器件有節省線資源、結構簡單等諸多優點，所以其應用也越來越廣泛，文章只介紹了1-Wire用于多節點操作系統的搜索算法和一個1-Wire器件燒寫器的簡單應用，以拋磚引玉。

[1] 譚浩強.C 程序設計[M] .北京:清華大學出版社,1997.

[2] 胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,2001.

[3] DS2432 1kb Protected 1-Wire EEPROM with SHA-1.Engine.www.maximic.com.

[4] 謝洪波.嵌入式網絡數字監控系統接口與網絡帶寬測量[D].成都.電子科技大學,2005.