2024年最全SPI、I2C、UART（即串口）三种串行总线详解_spi串口，2024年最新十年开发经验物联网嵌入式开发架构师_业界新闻

发布时间:2024-08-04 12:45

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2、UART

3、TTL和RS232

4、嵌入式常用串口实物图

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，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。
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

		<p>2、就是我们经常所说的串口，基本都用于调试。</p> 		</td> 		<td style="width:215px;">主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间</td> 		<td style="width:307px;">I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信 ，它可以替代标准的并行总线，连接各种集成电路和功能模块。</td> 	</tr><tr><td style="width:105px;">传输距离</td> 		<td style="width:152px;">&nbsp;</td> 		<td style="width:215px;">&nbsp;</td> 		<td style="width:307px;">I2C需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻，抗干扰能力较弱，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信</td> 	</tr><tr><td style="width:105px;">通信特征</td> 		<td style="width:152px;">异步，一帧可以传5/6/7/8位</td> 		<td style="width:215px;">同步，<span style="color:#f33b45;"><strong>SPI允许数据一位一位的传送</strong></span>，甚至允许暂停。从最高位开始传。</td> 		<td style="width:307px;">同步，电平信号，一次连续8bit。从最高位开始传</td> 	</tr><tr><td style="width:105px;">协议复杂度</td> 		<td style="width:152px;">结构比较复杂</td> 		<td style="width:215px;">SPI实现要比UART简单，UART需要固定的波特率，就是说两位数据的间隔要相等，而SPI则无所谓，因为它是有时钟的协议。</td> 		<td style="width:307px;">协议比SPI复杂，但是连线比标准的SPI要少</td> 	</tr><tr><td style="width:105px;">对比</td> 		<td style="width:152px;">&nbsp;</td> 		<td style="width:215px;"> 		<p>在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信,显得简单高效。</p>  		<p>在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。</p> 		</td> 		<td style="width:307px;">&nbsp;</td> 	</tr></tbody></table></div><h1 id="%E4%B8%89%E3%80%81%E4%B8%B2%E8%A1%8C%E5%A4%96%E8%AE%BE%E6%8E%A5%E5%8F%A3%EF%BC%9ASPI"><a name="t2"></a><br><strong>三、串行外设接口：SPI</strong></h1>

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。

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）四种模式


模式	CPOL	CPHA
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

模式0（杠cs表示片选信号）

模式1

模式2

模式3

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

那么第一个上升沿时，数据将会是SDO=1，寄存器=0101010x

下降沿到来的时候，SDI上的电平将存到主机的寄存器中的最低位（最右边），SDO上的电平将存到从机的寄存器的最低位（最右边），则此时主机寄存器=0101010SDI（SDI表示1bit），从机寄存器=1010101SDO。

这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次，这样就完成里一个spi时序。

假定主机和从机初始化就绪，并且主机的sbuff=0xaa=0b1010 1010，从机的sbuff=0x55=0b0101 0101

下面将分步对SPI的8个时钟周期的数据情况演示一遍

（1）上表示上升沿、下表示下降沿，SDI、SDO相对于主机而言的。

（2）ss引脚作为主机时，从机可以把它拉低，被动选为从机；作为从机时，可以作为片选脚用。

（3）根据以上分析，一个完整的传送周期是16位。因为主机首先要发送命令过去，然后从机准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

四、IC之间总线：I2C

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。

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。

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。

（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。

3、详细介绍

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71597893

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71597575

https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/80342459

4、代码学习

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71601785

六、心得体会

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。

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02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。

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