笔记——三大串行总线SPI、IIC、UART

主要参考博客：https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/65445338?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522162786877116780262519377%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334…%2522%257D&request_id=162786877116780262519377&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allbaidu_landing_v2~default-1-65445338.first_rank_v2_pc_rank_v29&utm_term=%E4%B8%89%E5%A4%A7%E4%B8%B2%E8%A1%8C%E6%80%BB%E7%BA%BF&spm=1018.2226.3001.4187

一、名字

SPI（serial Peripheral Interface：串行外设接口），是motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准；
I2C（INTER IC BUS：IC之间总线），是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备；
UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)，是电脑硬件的一部分，它把将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，UART通常被集成于其他通讯接口的连接上。UART即我们通常说的“串口”。

二、UART、SPI、I2C对比

三、串行外设接口：SPI

1、速览点

（1）四条信号线：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)、片选线（SS）。（所谓的进出，是针对信号进出主机而言）。

（2）SPI总线可以实现多SPI设备互相连接。提供时钟的SPI设备为主设备(Master)，其他设备为从设备(Slave)。SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。

（3）在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机。主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。

（4）主从设备间可以实现全双工通信，收发独立，操作简单，数据传输速率较高，但需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线），而且只支持单个主机，没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

（5）数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变（即发送），在紧接着的下沿或上沿被读取，从而完成一位数据传输。数据输入也使用同样原理。因此，8位数据的传输，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次）。

（6）普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

（7）SPI接口在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前（先传？），低位在后，为全双工通信。

2、数据传输

（1）SPI在数据传输的时候，需要确定两件事情：

• 其一，数据是在时钟的上升沿采集还是下降沿采集；
• 其二，时钟的初始(空闲)状态是为高电平还是低电平。
• 对比：I2C空闲状态时，时钟线（不是数据线？）为高电平，数据采集时，时钟线也为高电平，但SPI给出了更自由的方式

（2）两个概念

CPOL：时钟极性，表示SPI在空闲时，时钟信号是高电平还是低电平。

CPHA：时钟相位，表示SPI设备是在在时钟的上升沿采集还是下降沿采集。

如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电
平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。

则SPI数据传输就有四种可能—按照标准的说法，SPI数据传输就有四种模式。

3、spi读写

（1）SPI在硬件设计上采用的双数据线制，根据设计，在SPI通信过程中，主从设备之间会形成一个数据环形链路——即主设备向从设备写一次数据，从设备就会回一次数据(至于从设备回复的数据是否有效，则另当别论——如果有效，主设备就把它读入，否则丢弃）。

（2）例子：假设上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

假设主机8位寄存器装的是待发送的数据10101010

解析：
原数据为10101010
（1）上，
此时主机发送1Bit数据，即将最左边的1发送出去，故当前状态为0101010X，X表示未知，因为换没接收到从机发送来的数据；
此时从机发送1Bit数据，即将最左边的0发送出去，故当前状态为1010101X，X表示未知，因为换没接收到主机发送来的数据；
（2）上，
此时主机接收1Bit数据，故当前状态为01010100；
此时从机接收1Bit数据，故当前状态为10101011；

• 一个时钟周期内完成数据的接收与发送；
• 主机与从机都是高位先发送，接收到的数据填充到最右边；
• 由此可知八个时钟周期完成了一次数据交换。

四、IC之间总线：I2C

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。

I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答
信号。

• 开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
• 结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
• 应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

1、速览点

（1）由图可知

• 由两条信号线组成：串行数据线(SDA)、串行时钟线(SCL)。
• 由1，2箭头指示可知，I2C器件内部采用开漏的方法，总线被上拉。
• 那么总线状态只能被下拉为0（当MOS管输入0的时候）。
• 只要有一方下拉了总线，总线状态必定为0。

（2）任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线，但同一时刻只能有一个主控设备。

（3）总线上的每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备的能力，作为发射器或接收器工作。

（4）在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。

（5）连接到相同总线的IC 数量只受到总线的最大电容限制。

（6）SDA传输数据是大端传输（高位先传，低位后传？），是以字节为单位的。

2、通信过程

3、寻址方式

4、同步信号

SCL为低电平时就是让发送器发送数据；
SCL为高电平就是让接收器接收数据的。

五、通用异步收发器：UART

1、速览点

（1）UART由波特率产生器、UART接收器、UART发送器组成。

（2）由三条信号线组成：RX、TX、GND

（3）UART包括RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。它们的主要区别在于其各自的电平范围不相同。 嵌入式设备中常常使用到的是TTL、TTL转RS232的这种方式。

（1）串口通信的特点：异步、电平信号、串行

• 异步：串口通信的发送方和接收方之间是没有统一的时钟信号的。

• 电平信号：串口通信出现时间早，速率较低，传输的距离较近，所以干扰还不太明显，因此当时使用了电平信号传输。后期出现的传输协议都改成差分信号传输了。

• 串行通信：串口通信每次同时只能传输1个二进制位。

（2）RS232电平和TTL电平

（1）电平信号是用信号线电平减去参考线电平得到电压差，这个电压差决定了传输值是1还是0。

（2）在电平信号时多少V代表1，多少V代表0不是固定的，取决于电平标准。

譬如RS232电平中-3V～-15V表示1；+3～+15V表示0；TTL电平则是+5V表示1，0V表示0。

RS232的电平定义比较大，适合干扰大、距离远的情况；TTL电平电压范围小，适合距离近且干扰小的情况。
台式电脑后面的串口插座就是RS232接口的，在工业上用串口时都用这个，传输距离小于15米；TTL电平一般用在电路板内部两个芯片之间。

TTL和CMOS

（3）RS232和RS485

2232存在的问题：

• 接口电平值较高，易损坏芯片，与TTL不兼容；
• 通信速度较低；
• 易产生共模干扰；
• 传输距离较短，（最长15m）；

485优势

RS485采用差分信号负逻辑，逻辑"1”以两线间的电压差为-(2到6)V表示;逻辑"0"以两线间的电压差为+(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

• 差分信号更稳定；
• 适合长距离传输（最大1500米）
  

2、通信协议

（1）起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。

（2）数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。

（3）奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。

奇偶校验位是用来给数据位进行奇偶校验（把待校验的有效数据逐个位的加起来，总和为奇数奇偶校验位就为1，总和为偶数奇偶校验位就为0）的，可以在一定程度上防止位反转。

（4）停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

（5）空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

（6）波特率：数据传输的速率。有以下几个档位：300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、57600、115200。在数据传输和接收双方，需要预先统一波特率，以便正确的传输数据。

六、总结

1、通信接口分为物理层和协议层

（1）物理层（硬件）：如UART，PC和单片机通信，PC机的串口是232电平而单片机的串口是TTL电平，两个设备之间通信如果电平不一致就相当于语言不通，造成逻辑混乱。因此一般的单片机系统板上都会有一个串口模块电路（串口控制器）用来进行电平转换，将PC机的232电平转化成单片机能识别的232电平，常用芯片如PL2303、CH340。

（2）协议层：就相当于规定了一个标准或规则，比如SPI协议中，主机向从机发出一个数据，从机接收到后会发出应答信号，这就是协议规定的内容，不需要人为干预。当然有的单片机没有这些协议的控制器（硬件），如51单片机和24c02通信，需要模拟IIC协议，用软件来实现硬件的功能，这就增加了软件的复杂度。

2、总线的选择

（1）SPI总线有4根线，分别是SCLK，MOSI，MISO，CS，可以挂多个从设备，但是在挂多个从设备时，主设备端还需要做一个n选一的译码器，用于选择将要访问的从设备，因此，主设备上的管脚需求比较多。SPI总线在只有一个从设备时，只要用到SCK，SDO，SDI这三根线，此时选择SPI比I2C总线占优。

（2）I2C总线只有两根线，SCL，SDA.，也可以挂多个从设备，对从设备的选择直接依靠协议完成，无需增加物理连线。一般情况下，当一块电路板上有多个从设备时，往往选用I2C而非SPI，因为SPI增加了额外额硬件开销以及电路板走线。

（3）I2C和SPI总线一般是读取一些PROM等从设备用。 而串行通信接口SCI（UART?），主要应用在两个智能设备之间的互相通讯。有别于SPI和I2C总线的主从模式，SCI可以是主-主模式。

（4）数据吞吐/传输速度，，如果应用中必须使用高速数据传输，那么SPI是必然的选择。因为SPI是全双工，IIC 的不是。SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps。IIC 最高的速度也就快速+模式（1 Mbps）和高速模式（3.4 Mbps），后面的模式还需要额外的I/O缓冲区，还并不是总是容易实现的。