STM32 - UART、IIC、SPI通信协议

目录

1. 基本概念

1.1 总线

详细可参考该Blog：https://zhuanlan.zhihu.com/p/425510158

1.2 电平标准

常用的逻辑电平包括：TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL；RS232、RS422、LVDS 等

  • TTL按照典型电压可分为：5V、3.3V、2.5V、1.8V 系列
  • CMOS按照典型电压可分为：5V、3.3V、2.5V、1.8V 系列
  • 5V 为通用逻辑电平
  • 3.3V、2.5V和1.8V称为低压逻辑电平，即 LVTTL (Low Voltage TTL)
  • ECL/PECL和LVDS是差分输入输出
  • RS-422/485和RS-232是串口的接口标准，RS-422/485是差分输入输出，RS-232是单端输入输出

1）TTL电平

TTL：（Transistor-Transistor Logic gate，晶体管－晶体管逻辑门），三极管结构，目前被广泛使用，其原因是：采用二进制来表示数据，而且规定 +5V表示逻辑 “1”； 0V表示逻辑“0”

TTL VS CMOS

1）TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。
2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大；
COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。

无论TTL还是CMOS，都存在一个缺点：单线传输信号（Rx、Tx），很容易受到外界的干扰
如5V TTL，外界干扰当大于5V时候，会将高电平拉低

为此，我们可以采用两根线传输信号，取两者的差值。

2）差分电平

LVDS（Low Voltage Differential Signal）即低电压差分信号，LVDS接口又称RS644总线接口。
它的传输机制是把TTL逻辑电平转换成低电压差分信号，以便于高速传输

3）RS232

RS232：Recommended standard 推荐标准

严格来说，RS232/R485并不是通信协议，而是建立在串口通信UART基础上的电气接口.
其电平值如下：

  • 逻辑1：-3～-15V
  • 逻辑0：+3～+15V

其接口形如下：

引脚定义如下：

1.3 通信方向

详细可参见：https://www.shouxicto.com/article/6214.html

通信根据传输的方法分为单方向通信，即 单工；和双向通信，即双工.

  • 单工：即数据传输只在一个方向上传输，方向是固定的，不能实现双向通信。比如收音机和广播。

  • 半双工：传输方向可以切换，允许数据在两个方向上传输。但是某个时刻，只允许数据在一个方向上传输，可以基本双向通信。

收发数据使用同一条线，比如单行道，根据时间切换行进的方向
RS485属于半双工通讯。

  • 全双工：允许数据同时在两个方向传输，发送和接收完全独立，在发送的同时可以接收信号，或者在接收的同时可以发送。它要求发送和接收设备都要有独立的发送和接收能力。

收发各一条线，好比双车道。
比如RS232、RS422就属于全双工通讯。
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1.4 串并行

  • 串行就是数据是一位一位的发送
  • 并行就是数据一组一组的发送


并行 VS 串行：

1）速率

并行总线由于是多个数据同时传输，需要考虑数据的协同性，这就导致了并行传输的频率不能做的很高
串行总线只有一条链路，就可以把频率做的很高，提高传输速度

2）抗干扰

并行总线两根相邻的链路其数据是同时传输的，这就会导致它们彼此之间会产生严重干扰，并行的链路越多，干扰越强；

并行的链路越多，干扰越强。因此并行总线需要加强抗干扰的能力，否则传输过程中数据就可能被损坏。如果传输过程中数据故障了，就需要重新对齐数据再传输

串行总线如果一个数据出错了，只需要重新传输一次就好了，由于串行总线频率高，很快就可以把错误数据重新传输过去

3）线路针脚

并行总线是多链路一块传输数据，就需要很多线，接口需要很多针脚
串行总线只需要很少的几个针脚即可

2. UART

UART：Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, 通用异步收发器

  • 串口：在嵌入式里指的是UART口，常用TTL电平即3.3V或者5.0V；
  • COM口：在台式机上常用的口，DB9那种接口，接口协议只有两种RS232和RS485；

UART口、COM口指的是物理接口形式；TTL、RS232和RS485指的是电平逻辑标准

2.1 硬件结构

UART是串口总线，但无时钟信号，所以称为异步串行总线；

也正是由于其无时钟信号，使得收发双方无一个统一的时钟标准，以各自的时钟为准，为了防止偏移的累计误差，使得每次发送数据的位数不超过8bit

在嵌入式系统中，UART可用于板内通信（芯片和芯片间），也可用于板间通信，由于其结构简单、传输距离相对长，因此被广泛使用；

1）板内通信


接线方式为：A---------B

  • TX --> RX
  • RX <-- TX
  • RTS ---> CTS
  • CTS <--- RTS

CTS/RTS用于硬流控，协调双方收发，保证数据不丢失

芯片A通过UART发送数据，当芯片B拉高RTS时，A就会暂停发送，当芯片B拉低RTS时，A又会继续发送。

2）板间通信

板间通信一般情况下只用 Rx、Tx、GND 三条线

注意：板间通信时必须接上GND

2.2 通信协议

UART因为是串行总线，数据是一位一位的传输，其通信协议格式如下：

数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

  • 起始位：空闲时处于高电平，当开始发送数据时，发出逻辑‘0’的信号，表示开始传输数据
  • 数据位：紧随起始位，位数一般是5-8bit，最低位优先发送
  • 奇偶校验位：检验数据位中‘1’的个数为奇数（奇校验为1，偶检验为0）/偶数（奇校验为0，偶检验为1），一般不使用该校验
  • 停止位：表示数据传输结束，电平变为高，由1-2bit组成，通常使用1bit

2.3 工作流程

UART一般具备：发送/接收缓冲区，发送/接收移位寄存器。

  • 发送/接收缓冲区：用于缓存发送/接收的数据，通常为FIFO（First In First Out）
  • 发送/接收移位寄存器：将发送/接收的数据按位排列后（先低位后高位），开始发送/接收

数据传输流程

  1. 发送数据之前，收发双方必须协商好发送的波特率，帧格式，否则无法完成数据的正确接收。

  2. 发送设备上的 UART从 CPU（微处理器或微控制器）接收并行数据，并将其放入到缓冲区中

  3. UART把缓冲区中的数据，放到移位寄存器中，即：将并行数据转换为串行数据

  4. 该串行数据被传输到接收设备上的 UART

  5. 接收 UART 在接收到串行数据后，将其转换回并行数据（通过接收移位寄存器）

  6. 将数据放置到缓冲区中，提供给 CPU。

3. IIC

如果不想看文字，可直接看 IIC的B站视频

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线，开发公司NXP（被Philips收购），两线式的串行总线，用于连接微控制器和其外围设备。

半双工传输方式，即发送时不能接收，接收时不能发送！

传输距离较短，速率可达到400Kbps左右。

由于其结构简单，被广泛使用在CPU和IC、IC和IC连接上。

3.1 硬件链接

IIC通信线只有只有 · 两根：

  • 数据线SDA：高低电平传输二进制数据
  • 时钟线SCL：通过方波信号提供时钟节拍

IIC上可以挂载多个设备，每个设备都可以作为主机，也可以作为从机（但一般MCU/CPU作为主机），IIC支持多个主控。

每个设备都具备自己的器件地址，地址通常在IC出厂时已经被厂家固定了，使用者不可更改（类似于MAC地址）；少数IC厂商固定了前几位的厂商地址，留给用户定义剩余的地址。

一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

使用IIC通信的IC器件有很多，如：陀螺仪、IMU、EEPROM存储等，通过IIC总线，可以与单片机之间进行数据传输。

3.2 通信流程

3.2.1 名词解释

在介绍通信流程前，我们必须明确几个名词术语

1）主机、从机

  • 主机：负责整个系统的任务协调与分配，一般为CPU或MCU

  • 从机：通过接收主机的指令从而完成某些特定的任务

  • 发送端：发送数据的IC器件，注意，发送端不一定为主机

  • 接收端：接收数据的IC器件

2）信号类型

  • 空闲状态：SDA和SCL同时为高时，为IIC总线的空闲状态

  • 起始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

  • 停止信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

  • 应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据

接收端收到有效数据后向对方响应的信号，发送端每发送一个字节(8位)数据，在第9个时钟周期释放数据线去接收对方的应答。

  • 当SDA是低电平为有效应答(ACK)，表示对方接收成功；
  • 当SDA是高电平为无效应答(NACK)，表示对方没有接收成功（可能原因为从机忙/接收错误等）。

3.2.2 数据有效性

I2C总线进行数据传送时，在SCL的每个时钟脉冲期间传输一个数据位

时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定

只有在时钟线SCL上的信号为低电平期间，数据线SDA上的高电平或低电平状态才允许变化

因为当SCL是高电平时，数据线SDA的变化被规定为控制命令（START或STOP，也就是前面的起始信号和停止信号）

3.2.3 工作流程

1）注意事项

注意事项：

  • SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的

  • 只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变

  • 输出到SDA线上的每个字节必须是8位

  • 数据传送时，先传送最高位（MSB）

  • 每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK， 此时才认为一个字节真正的被传输完成

如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则停止发送，结束本次通信。


2）发送数据

  • IIC的IC设备的地址一般为 7 位

八位设备地址 = 7位从机地址 + 方向（0：write；1：Read）

  • IIC每帧数据由 9 bit 组成

如果是 发送数据，则包含 8bit数据+1bit ACK,
如果是设备 地址数据，则8bit包含7bit设备地址 1bit方向

主机向从机写数据流程：

  1. 主机首先产生START信号

  2. 发送一个从机地址，这个地址共有7位，第8位是数据方向位(R/W)，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)

  3. 主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址

  4. 主机等待从机的应答信号(A)

  5. 主机接收到应答：发送欲写入的寄存器地址(8bit)，并等待从机应答

    • 当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号
    • 当主机未收到应答信号，说明接收端未收到数据（地址不存在或设备忙）或者无法解析该数据，由master决定来如何处理（stop 或者 repeat send）
  1. 主机产生停止信号，结束传送过程。

3）接收数据

主机读数据流程：

  1. 主机首先产生START信号

  2. 主机发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，因为后面一帧要写寄存器地址，这时候主机等待从机的应答信号(ACK)

  3. 当主机收到应答信号时，写欲读取的寄存器地址（8bit）

  4. 当收到应答时，再次发送一个起始信号

  5. 再次发送从机地址，注意此时第8位为1，表示读取数据

  6. 等待从机响应

  7. 开始发送数据，每8bit数据一组，每组都需要接收方的应答信号

  8. 当接收完成后，主机若不应答，表示不在接收数据；否则应答后继续接收数据

  9. 接收完成后，主机进产生停止信号，结束传送过程。

4. SPI

如果不想看文字，可直接看 SPI的B站视频

    SPI（Serial Peripheral interface，串行外围设备接口），是美国摩托罗拉公司（Motorola）最先推出的一种同步串行传输规范。它是一种单片机外设芯片串行扩展接口，是一种 高速、全双工、同步通信 总线，主要应用在 EEPROM、FLASH、RTC，ADC/DAC，DSP等设备之间.

4.1 组成结构

   SPI有主、从两种模式，通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI不支持多主机）. 主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

一主一从连接

一主多从连接

SPI由四根线组成：

  • MISO（ Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出；
  • MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入；
  • SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；
  • CS/SS（Chip Select/Slave Select）：从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效

4.2 通信过程

SPI主设备和从设备都有一个 串行移位寄存器，主设备通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

SPI数据通信的流程可以分为以下几步：

  • 1、主设备发起信号，将CS/SS拉低（一般芯片的片选都是低电平有效，具体还要看slave的芯片手册），启动通信。

  • 2、主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟信号的上升沿或下降沿。

  • 3、主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓存区（Menory），缓存区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。

  • 4、从机（Slave）也将自己的串行移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置）中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

看文字太枯燥，举个栗子：

4.2.1 设备选择

  • 当SPI主设备读/写从设备时，它首先拉低从设备对应的SS线（注意，SS只有主设备可以操控）。
  • 接着开始发送工作脉冲到时钟线上，
  • 在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到MOSI实现“写”，同时可对MISO采样而实现“读”。

数据的发送和接收，都是从最高位MSB → 最低位LSB

4.2.2 设备时钟

SPI时钟特点主要包括：时钟速率、时钟极性和时钟相位三方面。

1）时钟频率

SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。

理论上讲，时钟频率可以无限大，但受限于主控所能提供的最大时钟频率（晶振的频率都是有限的）和SPI所能承受的最大传输速率。

2）时钟极性

时钟极性通常写为CKP或CPOL。
时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据。

CKP可以配置为1或0。这意味着你可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。你必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

  • CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
  • CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。

3）时钟相位

时钟相位通常写为CKE或CPHA。顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

  • CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
  • CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

4.2.3 四种模式

根据SPI的时钟极性和时钟相位特性可以设置4种不同的SPI通信操作模式，它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低），详情如下所示：

  • Mode0：CKP=0，CKE =0：当空闲态时，SCK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿（准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。

  • Mode1：CKP=0，CKE=1：当空闲态时，SCK处于低电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

  • Mode2：CKP=1，CKE=0：当空闲态时，SCK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

  • Mode3：CKP=1，CKE=1：当空闲态时，SCK处于高电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

举个例子，下图是SPI Mode0读/写时序，可以看出SCK空闲状态为低电平，主机数据在第一个跳变沿被从机采样，数据输出同理。

4.3 SPI优缺点

- 优点

  • 无起始位和停止位，因此数据位可以连续传输而不会被中断；

  • 没有像I2C这样复杂的从设备寻址系统；

  • 数据传输速率比I2C更高（几乎快两倍）；

  • 分离的MISO和MOSI信号线，因此可以同时发送和接收数据；

  • 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；

  • 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

- 缺点

  • 使用四根信号线（I2C和UART使用两根信号线）；

  • 无法确认是否已成功接收数据（I2C拥有此功能）；

  • 没有任何形式的错误检查，如UART中的奇偶校验位；

  • 只允许一个主设备；

  • 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；

  • 没有定义硬件级别的错误检查协议；

  • 与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

5. UART、SPI、IIC 对比

posted @ 2023-03-19 23:21  Jimmy_Nie  阅读(980)  评论(0)  编辑  收藏  举报