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嵌入式C语言面试相关知识——常见的四种通信协议：I²C、SPI、USART、CAN；一种数据通信机制：DMA

article 2024/10/19 6:38:07

嵌入式C语言面试相关知识——常见的四种通信协议：I²C、SPI、USART、CAN；一种数据通信机制：DMA

一、博客声明
二、I²C或IIC (Inter-Integrated Circuit)
- 1、概念
- 2、工作原理
- 3、通信过程
- 4、优缺点
- 5、典型应用
三、SPI (Serial Peripheral Interface)
- 1、概念
- 2、工作原理
- 3、通信过程
- 4、优缺点
- 5、典型应用
四、UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
- 1、概念
- 2、工作原理
- 3、通信电平
- 4、数据格式
- 5、优缺点
- 6、典型应用
五、 CAN网络（Controller Area Network）
- 1、概念
- 2、工作原理
- 3、通信数据格式
- 4、优缺点
- 5、典型应用
六、 I²C 、SPI 和UART对比
七、DMA（Direct Memory Access）是一种机制
- 1、概念
- 2、工作原理
- 3、优缺点
- 4、典型应用

一、博客声明

又是一年一度的秋招，怎么能只刷笔试题目呢，面试题目也得看，想当好厂的牛马其实也不容易呀O(∩_∩)O。注意：这篇博客大部分是来自网上的资源，通过自问或者他问，然后寻找答案，为了加深印象，总结或者抄一遍。

二、I²C或IIC (Inter-Integrated Circuit)

1、概念

又称为内部集成电路总线，是一种常用于嵌入式系统的两线串行总线协议，主要用于短距离设备间的低速通信。

2、工作原理

两线： 通过时钟同步传输数据。
- SCL（时钟线）
- SDA（数据线）
半双工： 同一时间只能进行单向数据传输。
主从模式： 一个主设备可以与多个从设备进行通信，每个从设备都有唯一的地址。主设备负责发出时钟信号并控制通信。

3、通信过程

起始条件： 主设备在总线上的SDA和SCL上产生一个起始条件，来通知总线上的从设备准备开始通信。开始的标志是，SCL高电平时，主设备将SDA从高电平拉低到低电平。
设备寻址： 主设备发送从设备的地址，通过这个地址来选择和哪个从设备进行通信。地址长度为 7位或者是 10位 ，分别可以连接 128个从设备 或者 1024个从设备
```
7位地址： | 地址7位 | R/W 1位 |
10位地址：| 地址前5位 | 特定位 | 地址后8位 | R/W 1位 |
```
应答信号（ACK/NACK）： 设备寻址完成后，从设备需要发回一个应答信号（ACK） 来确认已经收到地址和通信请求。这个应答信号时从设备的SDA进行发出，拉低代表确认应答（ACK），SDA维持高电平表示没有设备响应（NACK）。
数据传输： 主设备或从设备通过SDA线传输数据，每次传输1字节。在每个字节的传输完成后，接收方会发送ACK信号，表示数据传输成功。
停止条件： SCL高电平时，主设备将SDA从低电平拉高到高电平，表示通信结束。总线释放出来可以进行新的传输。

4、优缺点

优点： 只需要两条线，简化连接；支持多设备共享同一总线。
缺点： 速度慢，通常在100kHz ~ 400kHz之间，适合低速设备。不适合长距离通信，主要用于板内通信。

5、典型应用

温湿度传感器、LCD1206屏幕、RTC实时时钟等设备。

三、SPI (Serial Peripheral Interface)

1、概念

又称为串行外围接口，是一种串行通信协议，用于短距离高速数据传输。

2、工作原理

四线：
- SCLK（串行时钟）
- MOSI（主设备输出，从设备输入）
- MISO（主设备输入，从设备输出）
- SS/CS（从设备选择）
全双工： 可以同时进行双向数据传输。
主从模式： 主设备负责发出时钟信号并与多个从设备通信，通过选择不同的SS/CS，可以控制与哪个从设备通信。

3、通信过程

选择从设备： 使用片选信号引脚（SS/CS）选择从设备。
数据传输：
- 主设备将要发送的数据放入 MOSI（Master Out Slave In）线。
- 主设备产生时钟信号，SCK 线从低电平拉高，通知从设备数据的开始。
- 从设备在 SCK 的高电平期间读取 MOSI 线上的数据。
- 同时，从设备可以在 MISO（Master In Slave Out）线上发送数据回主设备。
- 当数据传输完成后，主设备可以拉高 CS 信号，结束通信。
时钟信号管理： SPI 协议允许主设备设置时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA），这决定了数据在时钟的上升沿还是下降沿被读取。根据这两个参数，SPI 有四种工作模式（Mode 0 到 Mode 3）：
- Mode 0: CPOL = 0, CPHA = 0
- Mode 1: CPOL = 0, CPHA = 1
- Mode 2: CPOL = 1, CPHA = 0
- Mode 3: CPOL = 1, CPHA = 1

4、优缺点

优点：
- 速度快，可以达到几Mkhz，适合高速通信。
- 全双工传输，速度更高效。
缺点：
- 引脚多，多个从设备时，每个设备都需要一个独立的CS引脚。
- 没有像 I²C 那样的设备地址，增加硬件的复杂性。

5、典型应用

通信模块、显示屏、存储器、音频解码芯片。

四、UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

1、概念

又称为通用异步收发器，是一种常见的异步串行通信协议，用于点对点的数据传输。

2、工作原理

两线：
- TX（发生数据）
- RX（接受数据）
全双工： 可以同时进行双向数据传输。
点对点通信： 一对一的全双工通信。
波特率： 没有时钟线，通信双方需要约定好波特率（即传输速率）。

3、通信电平

根据距离区别分为了以下三种。图片来源：DigiKey得捷
在这里插入图片描述

4、数据格式

一共包含了下面四个部分：

起始位： 用于标志数据传输的开始，通常为逻辑低电平。
数据位： 可以是5位到9位的实际数据，常见的是8位。
校验位： 用于检测传输过程中是否发生了数据错误。
停止位： 标志数据传输的结束，可以是1位或2位，通常是逻辑高电平。

5、优缺点

优点：
- 简单可靠、时候长距离通信。
- 全双工传输，速度更高效。
缺点：
- 没有时钟信号，需要准确配置波特率。
- 通信速度受限，通常几百Kbps到几Mbps之间。

6、典型应用

电脑串口通信、GPS模块、蓝牙模块，单片机串口。

五、 CAN网络（Controller Area Network）

1、概念

又称为控制器局域网，是一种多主（multi-master）、多节点的串行通信协议，允许多个设备之间通过一个共享的总线进行实时的数据交换。

2、工作原理

两线：
- CAN_H（高电平）
- CAN_L（低电平）
广播总线通信： 是一种广播总线通信，所有设备共享一根总线。每个设备都可以发送和接收数据，总线上的所有节点都能够接收到每一个数据帧，但是每个节点只会处理与自己相关的数据。
差分信号： 协议通过差分信号来传输数据、即通过CAN_H和CAN_L之间的电压差分来判断信号状态。

3、通信数据格式

帧结构：
- 数据帧：传输实际的数据信息。
- 远程帧：请求其他节点发送数据。
- 错误帧：检测到错误时发送。
- 过载帧：告诉发送方，接收节点忙，暂时不能接收数据。
数据帧的组成：
- 帧起始位：用于识别帧的开始。
- 标识符：用于标识数据的优先级和消息类型，11位或者是29位标识符。
- 控制字段：包含数据长度和远程请求信息。
- 数据字段：包含实际要传输的数据，数据长度可变，0~8字节。
- CRC校验字段：用于数据的错误检测。
- 确认字段：接收方确认数据正确接收。
- 帧结束位：标识帧的结束。
  
  | Start | Identifier | Control | Data | CRC | ACK | End |

4、优缺点

优点： 使用差分信号，抗干扰能力强，适合长距离通信，多节点，长距离传输。
缺点： 布线复杂，非安全性，数据帧长度有限制。

5、典型应用

汽车、工业自动化、医疗设备等。

六、 I²C 、SPI 和UART对比

特性	I²C	SPI	UART	CAN
线速	2（CSL、SDA）	4（SCLK、MOSI、MISO、CS）	2（TX、RX）	2（CAN_H、CAN_L）
速度	慢，通常100kHz ~ 400kHz	快，1MHz以上	中速，典型9600bps ~ 1Mbps	中等，最高 1Mbps（标准），8Mbps（CAN FD）
通信方式	半双工	全双工	全双工（异步）	半双工（差分）
多设备支持	支持，使用设备地址	支持，使用CS线	不支持	支持，使用 ID 仲裁
复杂性	相对简单	相对复杂	简单	中等，带仲裁和错误处理机制
应用场景	传感器、低速设备	高速设备、音频、视频数据	串行通信、GPS、蓝牙模块	汽车、工业自动化、医疗设备