常用的通讯协议 IIC SPI UART

1、几种通讯的协议

主要介绍几种我常用到的通讯协议SPI、IIC、IIS、UART、CAN、SDIO、GPIO总线协议。

• SPI总线由三条信号线组成：串行时钟SCLK、串行数据输出SDO、串行数据输入SDI。SPI总线可以实现多个SPI设备互相连接。

• IIC总线用两条线(SDA和SCL)在总线和装置之间传递信息。

• IIS则大部分是3线的（除了时钟和数据外，还有一个左右声道的选择信号），IIS主要用来传输音频信号。

• UART总线是异步串口，一般由波特率产生器、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线连接，一根用于发送，一根用于接收 ，两个设备之间需要共地。

• CAN信号使用差分电压传送，抗干扰能力强，两条信号线被称为CAN_H和CAN_L

• GPIO是一种通用的数字输入/输出端口端口。

• JTAG接口是4线：TMS、 TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线，测试复位信号TRST一般作为可选的第五个端口信号。

2、SPI/UART/I2C区别及特点

• SPI是四根线的高速同步串行口，分别是CS（片选）、MOSI（主发从收）、MISO（从发主收）、SCLK（时钟），是一种同步传输协议。主机送出CLK信号，主机到从机的数据在MOSI线上传输，从机到主机的数据在MISO线上传输。在启动传输之前，需要先拉低对应从机的CS管脚，在传输完成之后，再拉高CS管脚，从机的SPI Slave模块进入休眠。
• I2C是两根线，SDA（数据）和SCL（时钟），也是一种同步传输协议。主机在发送开始信号之后，先发送7个比特的地址位和1个比特的读写位，每个从机有自己的I2C地址，当发现该条指令是发给自己的时候，拉低SDA线（即回复ACK信号），然后主机发送或接收数据，完成传输。传输完成之后，主机发送停止位，完成该次传输。
• UART一般由VCC、TXD、RXD、GND三根线组成，是一种异步传输协议。无论是主机还是从机，均可以自由发送数据，但是由于UART总线并没有时钟线，所以需要提前约定对应的波特率，这是一种很简单的传输协议。

3、通讯协议

3.1、UART

UART是一个大家族，其包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等。COM口是电脑上异步串行通信口的简写，由于历史原因，现在PC机的COM口均为RS232。UART用的TTL电平, 低电平为0=0V，高电平为1=3.3V或以上，这里由于篇幅有限仅写RS232。

在使用时候，最少连接三根线，如图所示。

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。有通常使用的以下几个档位：300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、57600、115200、当然也可以自定义。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。

3.2、IIC

I²C (Inter-Integrated Circuit)。SDA和SCL总线通过上拉电阻与电源相连接。每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。其中，主动发起操作的一方为主机，另外一方为从机。

没有数据时：SCL和SDA都为高电平

开始信号START：SCL为高电平，SDA的电平由高跳到低表示开始信号。

终止信号STOP：SCL为高电平，SDA的电平由低跳到高表示终止信号。

每8bit数据传输结束，都需要一个ACK。起止信号都有Master发出，而ACK则可能由Master或者SLAVE来发出。

写寄存器的标准流程为：

1. Master发起START
2. Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
3. Slave发送ACK
4. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
5. Slave发送ACK
6. Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
7. Slave发送ACK
8. 第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
9. Master发起STOP

读寄存器的标准流程为：

1. Master发起START
2. Master发送I2C addr（7bit）和r（读）操作1（1bit），等待ACK
3. Slave发送ACK
4. Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
5. Master发送ACK
6. 第7步和第8步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

3.3、SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）四根硬脚引线，分别为 SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（片选）。因为一个主设备可以挂多个从设备，则通过片选引脚对从设备进行选择。

SPI在数据传输的时候，需要确定两件事情：

1. 数据是在时钟的上升沿采集还是下降沿采集；

2. 时钟的初始(空闲)状态是为高电平还是低电平。而I2C的空闲状态，时钟线为高电平；数据采集的时候，时钟线也为高电平。但SPI给出了更自由的方式。

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 SCK 管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样, 还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样。

那么，SPI CPOL有两种可能，CPHA有两种可能，则SPI数据传输就有四种可能，SPI数据传输就有四种模式。

SPI在Mode 0情况下示意图：

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，通俗的将就是主设备向从设备写一次数据，从设备就会回一次数据（至于该从设备回复的数据是否有效，如果有效，主设备就把它读入；如果无效，则丢弃即可)。