【嵌入式学习】串口通信：UART，I2C，SPI

UART

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TXD和接收端RXD）
TXD与RXD要交叉连接
当只需单向的数据传输时，可以直接一根通信线
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

数据格式

UART数据包包含有一个起始位，5到9个数据位（取决于UART），一个可选择的奇偶检验位以及一个或两个停止位：

• 起始位
  UART数据传输线通常在不传输数据时保持在高电平电平。开始传输时发送UART在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平，当接收UART检测到高电压转换时，他开始以波特率的频率读取数据帧中的位。
• 数据帧
  数据帧内包含正在传输的实际数据。使用奇偶校验位是5-8位，不使用最多可以是9位。
• 校验位
  奇偶校验位是接收UART判断传输期间是否有任何数据更改的方式。接收UART读取数据帧后，它将对值为1的数进行技术，并且检查总数是偶数还是奇数，是否与数据相匹配。
• 停止位
  向数据包的结尾发出信号，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压至少两位的时间。

通讯方式

• SBUF用来缓存信息，即用来发送又用来接受
• TI，RI这两个寄存器位会引发对应的中断
• 发送时，将数据写入SBUF，并通过观察TI来知道是否发送完成
• 接收时，来了数据时会触发中断（RI=1）通过中断函数读取SBUF

SPI

SPI可以无中断传输数据，可以连续地发送或接收任意数量的位。但是I2C和UART中，数据以数据包的形式发送，有限定位数。
SPI信号线有四种：

• MOSI-信号线：主机输出，从机输入；
• MISO-信号线：主机输入，从机输出；
• SCLK-时钟信号；
• SS/CS-片选信号；

优点：

• 无起始位和停止位，因此数据可以持续传输不会中断；
• 数据传输速率快（比I2C快几乎两倍）。
• 独立的MISO、MOSI可以同时发送和接收数据。

缺点：

• 使用四根线（I2C使用两根线）
• 没有信号接收成功的确认（I2C由此功能）
• 没有任何形式的错误检查（UART中的奇偶校验位）

I2C总线

I2C总线（Inter IC BUS）是由Philips公司开发的一种通用数据总线
仅需要两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）；所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
特点：

• 同步（需要给clock信号作为通讯时的时钟信号）
• 半双工（同一时间只能一个方向通讯）
• 带数据应答（ACK）

核心思想

开漏输出模式，引脚处：

端口处想置1，则不接地（通过SDA，SLC的上拉电阻实现高电平）；置0，则接地

设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

• SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右；所有设备引脚处默认不接地
• 默认不通信时线路是高电平，谁想通信谁接地（置0）

关键时序结构

主要思想：在SCL为高时，SDA线上的信号为有效信息！！！

• 开始通信：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

• 结束通信：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平
  

• 发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节
  

• 接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）
  

• 发送应答：在接收完一个字节之后，主机在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

• 接收应答：在发送完一个字节之后，主机在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）
  

I2C 数据帧

发送一帧数据

接收一帧数据

优缺点

I2C优点

1. 仅仅使用两根线
2. 支持多个主机和从机
3. 硬件比UART更简单

I2C缺点

1. 数据传输比SPI慢
2. 数据帧大小限制为8位