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前言

在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，通信協(xié)議扮演著至關(guān)重要的角色。UART、I2C、SPI是三種常用的串行通信協(xié)議，各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。本教程將深入解析這些協(xié)議的基本原理與時(shí)序。

一、通信基本知識(shí)

1.1 MCU的參見(jiàn)外設(shè)

存儲(chǔ)設(shè)備（SD卡）、顯示設(shè)備（屏幕）、傳感器設(shè)備（GPS、溫濕度傳感器）等等

1.2 通信的分類

按基本的類型

串行通信：串行通信是一種通過(guò)一條數(shù)據(jù)線逐位發(fā)送數(shù)據(jù)的通信方式。數(shù)據(jù)按照順序一位接一位地傳輸，這使得串行通信只需要較少的信號(hào)線，通常包括數(shù)據(jù)線、地線以及可能的時(shí)鐘線和控制線。

并行通信：
并行通信是一種通過(guò)多條數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)的通信方式。在同一時(shí)鐘周期內(nèi)，多個(gè)比特并行傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備。通常用于需要高傳輸速率的短距離通信。

從傳輸方向上來(lái)分

單工通信：單工通信就是公路上只允許車輛單向行駛，但數(shù)據(jù)只能從發(fā)送機(jī)發(fā)送給接收機(jī)，不能反向發(fā)送

半雙工通信：半雙工通信就是公路上允許車輛雙向行駛，數(shù)據(jù)可以在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間相互傳輸，但是不能同時(shí)發(fā)送。

全雙工通信：全雙工通信就是公路上允許車輛同時(shí)雙向行駛，數(shù)據(jù)可以在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間同時(shí)相互傳輸。

波特率：
波特率是發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)位的速率，單位是bps（即每秒傳輸二進(jìn)制位的數(shù)量）

二、UART（串口通訊）

2.1 簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)介：
通用異步收發(fā)器，是一種通用串行、異步通信總線，該總線有兩條數(shù)據(jù)線，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的發(fā)送和接收，常用于單片機(jī)與單片機(jī)或外部輔助設(shè)備之間的通信，

2.2 時(shí)序圖分析

注意：
UART從低位開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，一次只能發(fā)送8位數(shù)據(jù)，加上起始位和停止位，實(shí)際上一共是發(fā)送了10位
UART應(yīng)用的場(chǎng)景
RS232 9針串行接口：一般用于計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信
USB轉(zhuǎn)串口：這個(gè)是目前計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間通信最常見(jiàn)的方式
整體來(lái)說(shuō)UART多用于板間通信，比如單片機(jī)與單片機(jī)，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)，一個(gè)設(shè)備與另一個(gè)設(shè)備之間的通訊。

2.3 UART的局限性

1.不能遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)
因?yàn)榇谕ㄓ嵤褂玫氖荰TL電平，只能在很短的距離進(jìn)行通訊，不然信號(hào)很容易受到干擾，如果需要遠(yuǎn)離的通信，則需要在中間加入抗干擾的芯片，因此，衍生出了RS232（最大支持30米）、RS485（最大距離可以超過(guò)1000米），同時(shí)RS485還增加了一對(duì)多的通信功能。

2.通信速遞慢
大部分的情況下，我們使用的最高串口的波特率為115200（11.25KB/s），按照這個(gè)速度，一個(gè)小時(shí)都寫不滿一張64M的SD卡。究其原因，是UART的通信需要雙方約定好特定的波特率，由于早期的單片機(jī)的頻率低，時(shí)鐘精度低的問(wèn)題，雙方不可能保持嚴(yán)格的一致，傳輸?shù)乃俣忍旌苋菀壮霈F(xiàn)誤碼的情況。
解決這個(gè)問(wèn)題的爆發(fā)就是，加入一個(gè)CLOCK的信號(hào)，雙方不需要約定具體的通信速度，因此衍生出了SPI（最高的傳輸速度，可突破10M）

3.不能一對(duì)多通信（原則上只支持一對(duì)一的方式）
當(dāng)系統(tǒng)有很多個(gè)傳感器時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MCU就需要多個(gè)串口來(lái)連接這些設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致接口資源的浪費(fèi)。

因此，衍生出了I2C通訊，它的最大的優(yōu)勢(shì)就是支持一對(duì)多的通訊方式，
I2C通訊有兩根線，一個(gè)是時(shí)鐘線CLOCK，一個(gè)是數(shù)據(jù)線DATA，每個(gè)設(shè)備都掛在在這兩根線上，故稱為總線。每個(gè)設(shè)備都有自己的獨(dú)立的ID號(hào)（地址）。當(dāng)單片機(jī)想要和任意的設(shè)備通訊時(shí)，只需要按照特定的通訊協(xié)議，找到相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行通訊即可。

三、I2C

3.1簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)介：
(1) I2C：是PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的一種兩線式、串行、半雙工同步通信總線，可以掛載多個(gè)參與通信的器件，常用于板內(nèi)通信，比如單片機(jī)與外圍芯片之間短距離、低速的信號(hào)傳輸

(2) I2C協(xié)議：主要是解決了單片機(jī)一對(duì)多的通信問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建一條信息通道，只需兩個(gè)IO口，兩條線，就可以把電路板上的所有芯片串起來(lái)，利用這個(gè)信息通道相互傳輸數(shù)據(jù)，相比于UART的通訊方式，大大節(jié)約了單片機(jī)的寶貴的IO資源，也降低了PCB的布線成本

3.1 硬件部分的知識(shí)

(1) 問(wèn)題一：在某一時(shí)刻，如果有兩個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)該會(huì)發(fā)生什么？比如設(shè)備A要發(fā)送1，設(shè)備B 要發(fā)送0，如下圖所示，最終數(shù)據(jù)總線上會(huì)是高電平還是低電平？

回答：
為解決上述的問(wèn)題，I2C做了一些閹割的處理（這也是I2C硬件設(shè)計(jì)最精髓的地方），
先介紹一下，一般芯片如何輸出高低電平：
在芯片10口的內(nèi)部一般會(huì)有兩顆MOS管，上面的MOS管導(dǎo)通就輸出高電平，下面的MOS管導(dǎo)通就輸出高電平

如果兩個(gè)芯片都掛在在同一個(gè)數(shù)據(jù)的總線上，在某一時(shí)刻，芯片A輸出高電平，芯片B輸出低電平，此時(shí)，電流就直接從電源流入地，造成電路短路，必定元器件內(nèi)燒毀

所以，為了避免這種情況的發(fā)生，I2C總線對(duì)于設(shè)備的IO口，做了一些閹割處理，去掉了上面的MOS管，這樣就不可能存在短路的情況了。

不過(guò)這樣也會(huì)帶來(lái)另外的問(wèn)題：設(shè)備只能輸出低電平，無(wú)法輸出高電平。
解決辦法：
在數(shù)據(jù)總線上，加一顆上拉電阻，那么數(shù)據(jù)總線就默認(rèn)輸出高電平了（也就是后面的通訊時(shí)，空閑狀態(tài)為什么是高電平的原因）
重新回到一開(kāi)始的問(wèn)題：兩個(gè)設(shè)備如果同時(shí)要發(fā)送信號(hào)，怎么辦？

當(dāng)設(shè)備A輸出高電平，設(shè)備B輸出低電平時(shí)，此時(shí)總線式處于低電平的，無(wú)法滿足設(shè)備A的需求，此時(shí)就需要軟件協(xié)議來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題（也就是發(fā)送數(shù)據(jù)前，要進(jìn)行尋址的操作，確定通訊的設(shè)備）

總結(jié)：
I2C為了解決多設(shè)備共用總線，而步燒毀電路的問(wèn)題，采用開(kāi)漏輸出的方案，配合上拉電阻，就可以輸出完整的高低電平，這個(gè)上拉電阻的取值一般在幾千歐姆（4.7k歐姆），如果總線設(shè)備多且通信速度要求高的話，電阻就選著小一些，反之，電阻大一些

注意：
由于I2C采用開(kāi)漏輸出加上拉電阻的模式，所以I2C的抗干擾的能力比較弱，只適合用于同一塊電路板上的芯片之間的通信，并不適合超過(guò)30cm電路板之間的通訊

3.2 通訊規(guī)則與時(shí)序分析：

SCL時(shí)鐘線：SCL時(shí)鐘線用于同步
SDA數(shù)據(jù)線：用于傳輸數(shù)據(jù)

I2C總線能掛載多個(gè)器件，且支持多主機(jī)模式，也就是說(shuō)，線路上的任何一個(gè)器件都可以作為主機(jī)，但受限于只有一根信號(hào)線，同一也就是發(fā)起和結(jié)束一次通信的權(quán)利時(shí)刻只能有一個(gè)主機(jī)，主機(jī)擁有該時(shí)刻下總線的控制權(quán)，而從機(jī)只能被主機(jī)呼叫。
問(wèn)題：那線路上有這么多器件，主機(jī)是怎么識(shí)別出自己要呼叫的從機(jī)？
回答：
在I2C總線協(xié)議中，每個(gè)器件都有一個(gè)固定的號(hào)碼，他是一個(gè)7位的地址 ，如上圖所示，每個(gè)設(shè)備的地址。例如，主機(jī)要獲取設(shè)備E2PROM的數(shù)據(jù)，會(huì)事先發(fā)一個(gè)0x31找到E2PROM設(shè)備
I2C的時(shí)序圖

尋址流程：
1.I2C協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)是從高位到低位依次發(fā)送，當(dāng)總線空閑時(shí)，SCL時(shí)鐘線和SDA數(shù)據(jù)線均保持高電平，
2.當(dāng)主機(jī)要開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)先將SDA電平拉低，而此時(shí)SDA數(shù)據(jù)線上這個(gè)從高到低的跳變沿，就是起始位。
3.接下來(lái)就是進(jìn)行期間尋址，在SCL低電平時(shí)依次發(fā)送七位地址位
4.地址發(fā)送完之后，緊接著主機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)讀寫指示位，低電平表示要發(fā)送數(shù)據(jù)，高電平表示要請(qǐng)求數(shù)據(jù)
5.主機(jī)發(fā)送完以上數(shù)據(jù)從機(jī)如果成加接收，會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答位到總線上
注意：只有SCL處于低電平時(shí)，SDA可以變化，SCL高電平時(shí)，SDA需要保持，以方便數(shù)據(jù)接收方讀取操作
數(shù)據(jù)發(fā)送：

I2C通信一般流程:
1.主機(jī)發(fā)送起始位并進(jìn)行從機(jī)尋址
2.得到應(yīng)答后主機(jī)開(kāi)始發(fā)送 / 讀取數(shù)據(jù)位
3.數(shù)據(jù)發(fā)送 / 讀取完成主機(jī)發(fā)送停止位結(jié)束此次通信

應(yīng)用的設(shè)備：
1.溫濕度傳感器

四、SPI

4.1 簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)介
串行外圍設(shè)備接口，是一種高速、全雙工、同步通信總線，常用于單片機(jī)和E2PROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字信號(hào)處理器等器件的通信，它主要是主從方式通信，通常只有一個(gè)主機(jī)和數(shù)個(gè)從機(jī)。

SCLK:時(shí)鐘信號(hào)，由主機(jī)產(chǎn)生(Must)
MOSl:主機(jī)給從機(jī)發(fā)送指令或數(shù)據(jù)的通道
MIS0:主機(jī)讀取從機(jī)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)的通道
CS:從機(jī)片選使能信號(hào)

在同一時(shí)刻，主機(jī)只能跟一個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)總線存在多個(gè)從機(jī)時(shí)，需要進(jìn)行片選，將從機(jī)的CS接口電平拉低或者拉低。

4.2 時(shí)序圖

以SCLK時(shí)鐘線空閑時(shí)時(shí)高電平為例：
1.當(dāng)SCLK出現(xiàn)下降沿時(shí)（從高電平跳到低電平時(shí)），進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出
2.當(dāng)SCLK出現(xiàn)上升沿時(shí)（從低電平跳到高電平時(shí)），進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣

注意：
1.SPI發(fā)送數(shù)據(jù)也是從高位到低位依次發(fā)送數(shù)據(jù)
2.SPI的時(shí)鐘線SCLK在空閑的時(shí)候可以是高電平也可是低電平（由時(shí)鐘的極性決定）
3.和I2C相比，SPI沒(méi)有開(kāi)始位、結(jié)束位、應(yīng)答位，故規(guī)則上簡(jiǎn)單很多

CPIOL時(shí)鐘極性：
a. CPOL=0時(shí)，SCLK空閑時(shí)狀態(tài)為低電平
b. CPOL=1時(shí)，SCLK空閑時(shí)狀態(tài)為高電平

CPHA時(shí)鐘的相位：它決定了什么時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，什么時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣
a. CPHA=0時(shí)，每個(gè)周期的第一個(gè)跳變沿采樣
b. CPHA=1時(shí)，每個(gè)周期的第一個(gè)跳變沿輸出

不管上述哪一種設(shè)置，輸出和采樣都是交替進(jìn)行，以上的兩兩組合，就構(gòu)成了SPI的四種工作模式。

五、 總結(jié)

常見(jiàn)的問(wèn)題：UART/I2C/SPI這三種通訊協(xié)議之間的異同點(diǎn)是什么？
回答：
1.通訊模式上：
SPI和IIC是同步通信，依賴時(shí)鐘信號(hào)；而UART是異步通信，使用起始位和停止位來(lái)界定數(shù)據(jù)包。
2.從通訊的管腳上來(lái)說(shuō)：
UART：只使用數(shù)據(jù)線和地線。通信雙方需要預(yù)先約定波特率
I2C：使用兩條線進(jìn)行通信：數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL）。
SPI：使用四條線進(jìn)行通信：主設(shè)備輸出數(shù)據(jù)線（MOSI）、主設(shè)備輸入數(shù)據(jù)線（MISO）、時(shí)鐘線（SCLK）和從設(shè)備選擇線（CS）

3.通訊的速率上：
SPI通常提供最高的數(shù)據(jù)傳輸速度(可突破10M)，其次是IIC，UART相對(duì)較慢.

4.多設(shè)備通信方面：
IIC和SPI都支持多設(shè)備通信，但SPI需要為每個(gè)設(shè)備提供單獨(dú)的SS（片選）信號(hào)線，而IIC通過(guò)地址識(shí)別設(shè)備。而UART原則上只支持一對(duì)一的通訊方式。
5.從糾錯(cuò)的方面：
UART有奇偶檢驗(yàn)的方式來(lái)糾錯(cuò)，I2C有應(yīng)答的方式來(lái)糾錯(cuò)，SPI沒(méi)有