UART、RS232、RS485、I2C和SPI的介绍

基本知识

• 串行通信：多个数据通过一条数据线，依次传输
• 并行通信：多个数据通过多条数据线，一次性传输
• 单工通信：只能接收数据或者发送数据（遥控器、收音机）
• 半双工通信：在同一时刻，只能接收数据或者发送数据（对讲机）
• 全双工通信：在同一时刻，既可以接收数据，也可以发送数据（电话）
• 波特率：用于描述通信时的通信速度，其单位是 bps(bit per second)，即每秒钟传送 bit 的数量

UART

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter），即通用异步收发器。

• 特点：
  1、有两根数据线（RXD、TXD）
  2、串行、异步通信
  3、全双工通信
  4、点对点通信：接收端和发送端（两个设备）

• 应用：在嵌入式系统中，常用于主机和辅助设备之间的通信

• 时序图
  
  一次完整的数据传输包括：起始位、数据位、校验位（可有可无）和停止位
  传输数据的时候，高电平（置1）表示空闲
  起始位： 置低电平（0），表示通信的开始
  数据位： 起始位后开始通信，传输数据，先传送数据低位，再传送数据高位（数据位可以发送5-8位，一般发送8位数据（即一个字节））
  校验位：（可有可无） 验证数据是否发送正确，只能检查错误，不能修正，加上后，通信速度变慢
  停止位： 置高电平（置1），表示一次通信的结束（占用1位、1.5位或者2位）

• UART每次通信只能发送一个字节，不能够累计发送（避免累计误差）；若要发送多个字节数据，需要先发送一个字节，然后结束通信，再开始通信，发送下一个字节

• 因为是异步通信，没有时钟线，所以通过波特率来区分 01还是0011

• 硬件连接图
  

• 一般情况下，SOC会集成 UART控制器，在使用UART进行通信的时候只需要对其内部的相关寄存器进行设置，即可完成通信

USART

USART是通用同步/异步收发器（带同步时钟线 USART_CK），只是一种协议方式，根据不同电平方式分为 RS232协议和RS485协议。

UART串口通信存在的问题：
1、电气接口不统一
2、抗干扰能力差：UART 直接使用 TTL信号表示 0 和 1，但 TTL信号的抗干扰能力很差，传输过程中很容易出错
3、通信距离短：因为 TTL信号的抗干扰能力较差，所以其通信距离也很短。一般只用于一个电路板上两个不同芯片之间的通信（板载间通信）

RS232协议：（点对点通信）
1、基于串口，所以时序图和 UART串口一致
2、在电气层上做了一些改变，统一电气接口（定义了一个标准的连接器，标准中对连接器的每个引脚的作用加以规定，还对信号的电平加以规定）
3、抗干扰能力变强，通信距离变长（一般可达15米）
4、电气接口为 DB-9，一般使用 RXD、TXD、GND这三条线
5、规定逻辑为 1的电平为 -5V到-15V；规定逻辑为 0 的电平为 +5V到+15V

硬件连接：

RS232协议存在的问题：
1、接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片
2、与 TTL电平不兼容，需要电平转换芯片才能与 TTL电路连接
3、通信速度低
4、易产生共模干扰，抗噪声干扰性弱
5、通信距离15米，还是较短

RS485协议
特点：（半双工通信）
1、采用差分信号进行数据传输（双绞线），使用两线间电压差为 +2V到+6V表示逻辑0；两线间电压差为 -2V到-6V表示逻辑1，从而实现了远距离通信（1500米）；且在电子噪声较大的环境下，能够有效传输信号
2、允许连接多个收发器，具有多站能力，也就是可以建立一个设备网络
3、RS485接口信号的电平比RS232降低了，所以不易损坏接口电路的芯片

硬件连接图（设备网络，RS485总线上挂载多个设备，主从机制参考 I2C总线）
120Ω电阻用来消除信号线上的共模干扰

I2C

I2C总线是一种串行、同步、半双工通信的多主机通信总线，有两根数据线：SDA（数据线）、SCL（时钟线）；硬件结构简单，成本较低
应用： 同一块电路上的不同芯片之间进行通信
特点：
1、I2C总线是一种多主机总线，连接在 I2C总线上的器件分为主机和从机；
2、主机有权发起和结束一次通信，而从机只能被主机呼叫；
3、当总线上有多个主机同时启用总线时，I2C也具备冲突检测和仲裁的功能来防止错误发生；
4、每个连接到 I2C总线上的器件，都有一个唯一的地址（7位），且每个器件都可以作为主机（同一时刻只有一个主机），也可以作为从机；总线上的器件增加和删除不影响其它器件的正常工作；
5、I2C总线在通信时，总线上发送数据的器件叫发送器，接收数据的器件叫接收器

硬件连接图
通信过程：
1、主机发送 起始信号，启用总线（这时总线上的所有设备都可以收到，并且其它设备在此器件就不会启用总线了）
2、主机发送一个字节的数据指明 从机地址 和后续字节的 传送方向（是主机—>从机，还是从机—>主机）
一个字节的数据：前7位为从机地址，最后一位是传送方向（是0表示主机—>从机，1表示从机—>主机）
3、被寻址的从机发送 应答信号 回复主机，其它设备查看地址不是自己的地址，并不会理会
4、发送器发送一个字节数据
5、接收器发送应答信号回应发送器
第4、5步 循环…
6、通信完成后，主机发送 停止信号 释放总线，一次通信完成

起始信号： 当 SCL处于高电平时，SDA由高变低
停止信号： 当SCL处于低电平时，SDA由低变高
字节传送与应答： 发送器发送一个字节数据（先传送高位，再传送低位）；接收器发送 应答位 来回应，（1位低电平应答）
同步信号：
传输数据期间，
当 SCL为低电平期间，发送器向数据线上发送一位数据，在此期间数据线上的信号允许发生改变
当SCL为高电平期间，接收器从数据线上读取一位数据，在此期间数据线上的信号不允许发生改变（因为SCL为高电平时，数据线上信号改变会被认为是起始信号或者停止信号）

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外设接口的缩写，是一种高速、全双工、同步的串行通信总线；最少有四根线：MISO（主设备输入、从设备输出），MOSI（主设备输出、从设备输入），SCLK（时钟线），CS（片选线）
SPI采用主从方式工作，一般有一个主设备和一个或多个从设备

硬件连接图
每多连接一个从设备，就要多用连接一条片选线，和I2C利用地址来寻址的方式不同
通信过程：
1、SPI总线传输数据：先传送高位，再传送低位；一个字节传送完成后，无需应答，即可开始下一个字节的传送
2、SPI总线采用同步方式工作，时钟在上升沿或下降沿时发送器向数据线上发送数据，在紧接着的下降沿或上升沿接收器从数据线上读取数据，从而完成一位数据的传送；八个时钟周期即可完成一个字节数据的传送

极性和相位： （根据芯片手册来判断）
SPI总线有四种不同的工作模式，取决于 极性（CPOL） 和 相位（CPHA）

CPOL表示 SCLK 空闲时的状态：
当 CPOL = 0，SCLK低电平表示总线空闲
当 CPOL = 1，SCLK高电平表示总线空闲

CPHA表示采样时刻：
当 CPHA = 0，每个周期的第一个时钟沿采样，相位为0，上升沿发数据，下降沿收数据
当 CPHA = 1，每个周期的第二个时钟沿采样，相位为1，下降沿发数据，上升沿收数据

I2C 和 SPI 的异同

相同点：
1、均采用串行、同步的方式
2、均采用 TTL电平，传输距离和应用场景类似（近距离传输，板载通信）
3、均采用主从方式工作
不同点：
1、I2C为半双工通信；SPI为全双工通信
2、I2C有应答机制；SPI无需应答
3、I2C通过总线广播 从机地址 来寻址；SPI通过 ** 向片选线发送使能信号** 来寻址
4、I2C的时钟极性和相位固定；SPI的时钟极性和相位可以调整