UART、I2C、SPI串行總線通信原理，你知道嗎？

I2C、SPI、UART是嵌入式物聯(lián)網(wǎng)終端備最常用的三種串口通信協(xié)議

本篇博文簡(jiǎn)要介紹UART、I2C、SPI串行總線通信原理。更詳細(xì)的說(shuō)明請(qǐng)看以下三篇文章。

一文搞懂I2C總線通信

一文搞懂SPI通信協(xié)議

一文搞懂UART通信協(xié)議

I2C 通信協(xié)議

I2C (Inter-Integrated Circuit) 通信協(xié)議是一種多主從架構(gòu)的串行通信總線，有兩根雙向的信號(hào)線：一根數(shù)據(jù)線SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)，一根時(shí)鐘線SCL用于通信雙方時(shí)鐘的同步。I2C 通信協(xié)議通常用于連接低速設(shè)備，如傳感器、存儲(chǔ)器和其他外設(shè)。連接在I2C總線上的器件分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)有權(quán)發(fā)起和結(jié)束一次通信，從機(jī)只能被動(dòng)呼叫。

I2C 通信協(xié)議規(guī)范的規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率如下：

• 標(biāo)準(zhǔn)模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為 100kb/s

• 快速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為 400Kb/s

• 高速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為 3.4 Mb/s

I2C 通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：

• 多設(shè)備支持：I2C支持多個(gè)設(shè)備連接到同一總線上，每個(gè)設(shè)備都有唯一的地址。

• 簡(jiǎn)單：I2C協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。

• 低功耗：在空閑狀態(tài)時(shí)，I2C總線上的器件可以進(jìn)入低功耗模式，節(jié)省能量。

I2C 通信協(xié)議的缺點(diǎn)：

• 速度較慢：I2C通信速度較低，適用于低速設(shè)備。

• 受限制：I2C的總線長(zhǎng)度和設(shè)備數(shù)量受到限制，過(guò)長(zhǎng)的總線可能導(dǎo)致通信問(wèn)題。

• 沖突：當(dāng)多個(gè)設(shè)備嘗試同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生沖突，需要額外的沖突檢測(cè)和處理機(jī)制。

I2C 通信協(xié)議在緊湊電路中的效率高成本低，因此在小型傳感器、LCD 屏幕控制器和 RTC模塊、溫度控制設(shè)備、電池管理系統(tǒng)中很常見(jiàn)。

SPI 通信協(xié)議

SPI（Serial Peripheral Interface）是一種同步串行通信接口，主要應(yīng)用于短距離、低數(shù)據(jù)速率的通信，常用于嵌入式系統(tǒng)。

SPI通信協(xié)議的四個(gè)重要元素：

• 主機(jī)（Master）：初始化通信并控制時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)備。

• 從機(jī)（Slave）：被主機(jī)通信的設(shè)備。

• 時(shí)鐘信號(hào)（SCK）：主機(jī)生成的同步時(shí)鐘信號(hào)，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。

• 數(shù)據(jù)輸出（MOSI）和數(shù)據(jù)輸入（MISO）：用于主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

SPI通信協(xié)議分為四種模式：

• 模式0：時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)跳變沿對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的首位。

• 模式1：時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)跳變沿對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的末位。

• 模式2：時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)跳變沿對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的首位，相對(duì)模式0，SS信號(hào)延遲。

• 模式3：時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)跳變沿對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的末位，相對(duì)模式0，SS信號(hào)延遲。

SPI通信協(xié)議的基本步驟：

1. 初始化主機(jī)和從機(jī)，設(shè)置SPI模式和時(shí)鐘速率。

2. 主機(jī)發(fā)起通信，拉低從機(jī)的片選信號(hào)（SS）。

3. 主機(jī)發(fā)送第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，同時(shí)從機(jī)回應(yīng)第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

4. 主機(jī)接收數(shù)據(jù)并發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，以此類推，直至完成通信。

5. 通信結(jié)束后，主機(jī)釋放片選信號(hào)，結(jié)束SPI通信。

SPI通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：

• 高速：SPI通信速度較快，適用于對(duì)速度要求較高的應(yīng)用。

• 全雙工：SPI支持全雙工通信，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

• 簡(jiǎn)單：SPI的通信協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于快速開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)。

SPI通信協(xié)議的缺點(diǎn)：

• 連線復(fù)雜：SPI需要多根線進(jìn)行連接，可能會(huì)增加硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

• 長(zhǎng)距離傳輸受限：SPI的傳輸距離受到限制，過(guò)長(zhǎng)的線路可能導(dǎo)致信號(hào)衰減和干擾。

• 主從模式限制：SPI通常采用主從模式，主設(shè)備數(shù)量受限，不適用于多主設(shè)備場(chǎng)景。

SPI 非常適合需要快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，例如 TFT 顯示器、SD 存儲(chǔ)卡和無(wú)線通信模塊。然而，在具有許多從站的復(fù)雜系統(tǒng)中，其有效性會(huì)降低。

UART 通信協(xié)議

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一種全雙工的通信協(xié)議，常用于各種嵌入式系統(tǒng)之間的通信。UART 通信只需要兩條線即可運(yùn)行：TX（發(fā)送）和 RX（接收）。該協(xié)議允許異步通信，也就是說(shuō)發(fā)送器和接收器之間無(wú)需共享時(shí)鐘。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含一個(gè)起始位、5 到 9 個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)可選的奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)或兩個(gè)停止位。

以下是UART通信協(xié)議的基本原理：

• 起始位：通信開(kāi)始時(shí)，數(shù)據(jù)線被拉低。

• 數(shù)據(jù)位：接著起始位，數(shù)據(jù)位逐位傳輸。通常為5位、6位、7位、8位，由雙方約定。

• 奇偶校驗(yàn)位：可選，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤。

• 停止位：數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)線被高電平持續(xù)。停止位可以是1位、1.5位、2位，由雙方約定。

• 波特率：數(shù)據(jù)的傳輸速率，如9600bps、115200bps等。

UART通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：

• 簡(jiǎn)單：UART通信協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。

• 適用性廣泛：UART被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的通信，具有較好的兼容性。

• 距離：UART通信距離較遠(yuǎn)，適用于需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)膱?chǎng)景。

UART通信協(xié)議的缺點(diǎn)：

• 速度較低：UART通信速度相對(duì)較低，不適用于對(duì)速度要求較高的應(yīng)用。

• 雙工：UART通信是雙工的，可以進(jìn)行低速雙工傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

• 不可靠：由于UART是異步通信，可能會(huì)受到噪聲和干擾的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不可靠。

我們?cè)撊绾芜x擇通信協(xié)議

當(dāng)我們?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)硬件選擇合適串口通信協(xié)議需要考慮以下幾個(gè)方面：

• 通信速度：SPI 提供高速度，UART 提供高靈活性，I2C 適用于速度要求較低接線簡(jiǎn)單的配置。

• 電路設(shè)計(jì)：I2C 可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的高效空間管理，SPI 可實(shí)現(xiàn)大型設(shè)計(jì)中的性能，而 UART 可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性和多功能性。

• 距離和通信環(huán)境：UART 在長(zhǎng)距離上具有穩(wěn)定性，而 I2C 更適合短距離。

• 雙工要求：SPI 和 UART 提供全雙工功能，而 I2C 僅限于半雙工。

I2C 通信協(xié)議因其簡(jiǎn)單性和用最少的引腳管理多個(gè)從設(shè)備的能力而脫穎而出，使其成為短距離通信的理想選擇。

SPI 通信協(xié)議具有高速和全雙工模式，非常適合在空間不是主要問(wèn)題的系統(tǒng)中進(jìn)行快速高效的數(shù)據(jù)傳輸。

UART 通信協(xié)議在長(zhǎng)距離通信和速度要求較低的場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。