電子設(shè)備之間的通信就像人類之間的交流,，雙方都需要說相同的語言。在電子產(chǎn)品中,，這些語言稱為通信協(xié)議,。

　　之前有單獨地分享了SPI、UART,、I2C通信的文章,，這篇對它們做一些對比。

　　串行 VS 并行

　　電子設(shè)備通過發(fā)送數(shù)據(jù)位從而實現(xiàn)相互交談,。位是二進(jìn)制的,，只能是1或0。通過電壓的快速變化,，位從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備,。在以5V工作的系統(tǒng)中，“0”通過0V的短脈沖進(jìn)行通信,，而“1”通過5V的短脈沖進(jìn)行通信,。

　　數(shù)據(jù)位可以通過并行或串行的形式進(jìn)行傳輸。另外也可以通過此視頻了解:視頻講解UART,、I2C,、SPI串口通信。在并行通信中,，數(shù)據(jù)位在導(dǎo)線上同時傳輸,。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的并行傳輸：

　　在串行通信中，位通過單根線一一發(fā)送,。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的串行傳輸：

　　SPI通信

　　SPI是一種常見的設(shè)備通用通信協(xié)議,。它有一個獨特優(yōu)勢就是可以無中斷傳輸數(shù)據(jù),，可以連續(xù)地發(fā)送或接收任意數(shù)量的位。而在I2C和UART中,，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送,，有著限定位數(shù)。

　　在SPI設(shè)備中,，設(shè)備分為主機(jī)與從機(jī)系統(tǒng),。主機(jī)是控制設(shè)備（通常是微控制器），而從機(jī)（通常是傳感器,，顯示器或存儲芯片）從主機(jī)那獲取指令,。

　　一套SPI通訊共包含四種信號線：MOSI (Master Output/Slave Input) – 信號線，主機(jī)輸出,，從機(jī)輸入,。MISO (Master Input/Slave Output) – 信號線，主機(jī)輸入,，從機(jī)輸出,。SCLK (Clock) – 時鐘信號。SS/CS (Slave Select/Chip Select) – 片選信號,。

　　SPI協(xié)議特點

　　實際上,，從機(jī)的數(shù)量受系統(tǒng)負(fù)載電容的限制，它會降低主機(jī)在電壓電平之間準(zhǔn)確切換的能力,。

　　時鐘信號

　　每個時鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù),，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热Q于時鐘信號的頻率。 時鐘信號由于是主機(jī)配置生成的,，因此SPI通信始終由主機(jī)啟動,。

　　設(shè)備共享時鐘信號的任何通信協(xié)議都稱為同步。SPI是一種同步通信協(xié)議,，還有一些異步通信不使用時鐘信號,。 例如在UART通信中,，雙方都設(shè)置為預(yù)先配置的波特率,，該波特率決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜁r序。

　　片選信號

　　主機(jī)通過拉低從機(jī)的CS/SS來使能通信,。 在空閑/非傳輸狀態(tài)下,，片選線保持高電平。在主機(jī)上可以存在多個CS/SS引腳,，允許主機(jī)與多個不同的從機(jī)進(jìn)行通訊,。

　　如果主機(jī)只有一個片選引腳可用，則可以通過以下方式連接這些從器件：

       MOSI和MISO

　　主機(jī)通過MOSI以串行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī),，從機(jī)也可以通過MISO將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī),，兩者可以同時進(jìn)行,。所以理論上，SPI是一種全雙工的通訊協(xié)議,。

　　傳輸步驟

　　1. 主機(jī)輸出時鐘信號

　　使用SPI有一些優(yōu)點和缺點,，如果在不同的通信協(xié)議之間進(jìn)行選擇，則應(yīng)根據(jù)項目要求進(jìn)行充分考量,。

　　SPI優(yōu)點

　　SPI通訊無起始位和停止位,，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)流傳輸而不會中斷；沒有像I2C這樣的復(fù)雜的從站尋址系統(tǒng),，數(shù)據(jù)傳輸速率比I2C更高（幾乎快兩倍）,。獨立的MISO和MOSI線路，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù),。

　　SPI缺點

　　SPI使用四根線（I2C和UART使用兩根線）,，沒有信號接收成功的確認(rèn)（I2C擁有此功能），沒有任何形式的錯誤檢查（如UART中的奇偶校驗位等）,。

　　UART代表通用異步接收器/發(fā)送器也稱為串口通訊,，它不像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是微控制器中的物理電路或獨立的IC,。

　　UART的主要目的是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù),，其最好的優(yōu)點是它僅使用兩條線在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。UART的原理很容易理解,，但是如果您還沒有閱讀SPI 通訊協(xié)議,，那可能是一個不錯的起點。

　　UART通信

　　在UART通信中,，兩個UART直接相互通信,。相關(guān)實例:按下按鍵，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)實例,。發(fā)送UART將控制設(shè)備（如CPU）的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式,，以串行方式將其發(fā)送到接收UART。只需要兩條線即可在兩個UART之間傳輸數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)從發(fā)送UART的Tx引腳流到接收UART的Rx引腳：

　　UART屬于異步通訊,，這意味著沒有時鐘信號，取而代之的是在數(shù)據(jù)包中添加開始和停止位,。這些位定義了數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束,，因此接收UART知道何時讀取這些數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)接收UART檢測到起始位時,，它將以特定波特率的頻率讀取,。波特率是數(shù)據(jù)傳輸速度的度量，以每秒比特數(shù)（bps）表示。兩個UART必須以大約相同的波特率工作,，發(fā)送和接收UART之間的波特率只能相差約10％,。

　　UART工作原理

　　發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線獲取并行數(shù)據(jù)后，它會添加一個起始位,，一個奇偶校驗位和一個停止位來組成數(shù)據(jù)包并從Tx引腳上逐位串行輸出,，接收UART在其Rx引腳上逐位讀取數(shù)據(jù)包。

　　UART數(shù)據(jù)包含有1個起始位,，5至9個數(shù)據(jù)位（取決于UART）,，一個可選的奇偶校驗位以及1個或2個停止位：

　　起始位：

　　UART數(shù)據(jù)傳輸線通常在不傳輸數(shù)據(jù)時保持在高電壓電平。開始傳輸時發(fā)送UART在一個時鐘周期內(nèi)將傳輸線從高電平拉低到低電平,，當(dāng)接收UART檢測到高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換時,，它開始以波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

　　數(shù)據(jù)幀：

　　數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含正在傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù),。如果使用奇偶校驗位,，則可以是5位，最多8位,。如果不使用奇偶校驗位,，則數(shù)據(jù)幀的長度可以為9位。

　　校驗位：

　　奇偶校驗位是接收UART判斷傳輸期間是否有任何數(shù)據(jù)更改的方式,。接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后,，它將對值為1的位數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù),，是否與數(shù)據(jù)相匹配,。

　　停止位：

　　為了向數(shù)據(jù)包的結(jié)尾發(fā)出信號，發(fā)送UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅(qū)動到高電壓至少持續(xù)兩位時間,。

　　傳輸步驟

　　沒有任何通信協(xié)議是完美的,，但是UART非常擅長于其工作。以下是一些利弊,，可幫助您確定它們是否適合您的項目需求：

　　優(yōu)點

　　僅使用兩根電線

　　無需時鐘信號

　　具有奇偶校驗位以允許進(jìn)行錯誤檢查

　　只要雙方都設(shè)置好數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)

　　有據(jù)可查并得到廣泛使用的方法

　　缺點

　　數(shù)據(jù)幀的大小最大為9位

　　不支持多個從屬系統(tǒng)或多個主系統(tǒng)

　　每個UART的波特率必須在彼此的10％之內(nèi)

　　I2C通信

　　I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單,、雙向二線制同步串行總線。相關(guān)文章:STM32開發(fā)中使用C語言實現(xiàn)IIC驅(qū)動,。它只需要兩根線即可傳送信息,。它結(jié)合了 SPI 和 UART 的優(yōu)點，您可以將多個從機(jī)連接到單個主機(jī)（如SPI那樣）,，也可以使用多個主機(jī)控制一個或多個從機(jī),。當(dāng)您想讓多個微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡或?qū)⑽谋撅@示到單個LCD時,，這將非常有用,。

　　SDA (Serial Data) – 數(shù)據(jù)線,。

　　SCL (Serial Clock) – 時鐘線,。

　　I2C是串行通信協(xié)議,，因此數(shù)據(jù)沿著SDA一點一點地傳輸。與SPI一樣,，I2C也需要時鐘同步信號且時鐘始終由主機(jī)控制,。

　　工作原理

　　I2C的數(shù)據(jù)傳輸是以多個msg的形式進(jìn)行，每個msg都包含從機(jī)的二進(jìn)制地址幀,，以及一個或多個數(shù)據(jù)幀,，還包括開始條件和停止條件，讀/寫位和數(shù)據(jù)幀之間的ACK / NACK位：

　　啟動條件：當(dāng)SCL是高電平時,，SDA從高電平向低電平切換,。

　　停止條件：當(dāng)SCL是高電平時，SDA由低電平向高電平切換,。

　　地址幀：每個從屬設(shè)備唯一的7位或10位序列,，用于主從設(shè)備之間的地址識別。

　　讀/寫位：一位,，如果主機(jī)是向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)則為低電平,，請求數(shù)據(jù)則為高電平。

　　ACK/NACK：消息中的每個幀后均帶有一個ACK/NACK位,。如果成功接收到地址幀或數(shù)據(jù)幀,，接收設(shè)備會返回一個ACK位用于表示確認(rèn)。

　　尋址

　　由于I2C沒有像SPI那樣的片選線,，因此它需要使用另一種方式來確認(rèn)某一個從設(shè)備,，而這個方式就是 —— 尋址 。

　　主機(jī)將要通信的從機(jī)地址發(fā)送給每個從機(jī),，然后每個從機(jī)將其與自己的地址進(jìn)行比較,。如果地址匹配，它將向主機(jī)發(fā)送一個低電平ACK位,。如果不匹配,，則不執(zhí)行任何操作，SDA線保持高電平,。

　　讀/寫位

　　地址幀的末尾包含一個讀/寫位,。如果主機(jī)要向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則為低電平,。如果是主機(jī)向從機(jī)請求數(shù)據(jù),，則為高電平。

　　數(shù)據(jù)幀

　　當(dāng)主機(jī)檢測到從機(jī)的ACK位后,，就可以發(fā)送第一個數(shù)據(jù)幀了,。數(shù)據(jù)幀始終為8位，每個數(shù)據(jù)幀后緊跟一個ACK / NACK位，來驗證接收狀態(tài),。當(dāng)發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀后,，主機(jī)可以向從機(jī)發(fā)送停止條件來終止通信。

　　傳輸步驟

　　1. 在SCL線為高電平時,，主機(jī)通過將SDA線從高電平切換到低電平來啟動總線通信,。

　　2. 主機(jī)向總線發(fā)送要與之通信的從機(jī)的7位或10位地址，以及讀/寫位：

　　3. 每個從機(jī)將主機(jī)發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較,。如果地址匹配,，則從機(jī)通過將SDA線拉低一位返回一個ACK位。如果主機(jī)的地址與從機(jī)的地址不匹配,，則從機(jī)將SDA線拉高,。

　　4. 主機(jī)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀：

　　5. 傳輸完每個數(shù)據(jù)幀后，接收設(shè)備將另一個ACK位返回給發(fā)送方,，以確認(rèn)已成功接收到該幀：

　　6. 隨后主機(jī)將SCL切換為高電平,，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機(jī)發(fā)送停止條件,。

　　單個主機(jī)VS多個從機(jī)

　　由于I2C使用尋址功能,，可以通過一個主機(jī)控制多個從機(jī)。使用7位地址時,，最多可以使用128(27)個唯一地址,。使用10位地址并不常見，但可以提供1,024(210)個唯一地址,。如果要將多個從機(jī)連接到單個主機(jī)時,，請使用4.7K歐的上拉電阻將它們連接，例如將SDA和SCL線連接到Vcc：

　　多個主機(jī)VS多個從機(jī)

　　I2C支持多個主機(jī)同時與多個從機(jī)相連,，當(dāng)兩個主機(jī)試圖通過SDA線路同時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，就會出現(xiàn)問題,。因此每個主機(jī)都需要在發(fā)送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平,。如果SDA線為低電平，則意味著另一個主機(jī)正在控制總線,。如果SDA線高,，則可以安全地發(fā)送數(shù)據(jù)。如果要將多個主機(jī)連接到多個從機(jī),，請使用4.7K歐的上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：

　　與其他協(xié)議相比，I2C可能聽起來很復(fù)雜,。以下是一些利弊,，可幫助您確定它們是否適合您的項目需求：

　　I2C優(yōu)點

　　僅使用兩根電線

　　支持多個主機(jī)和多個從機(jī)

　　每個UART的波特率必須在彼此的10％之內(nèi)

　　硬件比UART更簡單

　　眾所周知且被廣泛使用的協(xié)議

　　I2C缺點

　　數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI慢

　　數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位

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電子技術(shù)應(yīng)用專欄作家 一口Linux

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