【单片机通讯协议】—— 常用的UART/I2C/SPI等通讯协议的基本原理与时序分析

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

前言

在嵌入式系统开发中，通信协议扮演着至关重要的角色。UART、I2C、SPI是三种常用的串行通信协议，各自具有独特的特点和应用场景。本教程将深入解析这些协议的基本原理与时序。

一、通信基本知识

1.1 MCU的参见外设

存储设备（SD卡）、显示设备（屏幕）、传感器设备（GPS、温湿度传感器）等等

1.2 通信的分类

按基本的类型

串行通信：串行通信是一种通过一条数据线逐位发送数据的通信方式。数据按照顺序一位接一位地传输，这使得串行通信只需要较少的信号线，通常包括数据线、地线以及可能的时钟线和控制线。

并行通信：
并行通信是一种通过多条数据线同时传输多位数据的通信方式。在同一时钟周期内，多个比特并行传输到目标设备。通常用于需要高传输速率的短距离通信。

从传输方向上来分

单工通信：单工通信就是公路上只允许车辆单向行驶，但数据只能从发送机发送给接收机，不能反向发送

半双工通信：半双工通信就是公路上允许车辆双向行驶，数据可以在发送机和接收机之间相互传输，但是不能同时发送。

全双工通信：全双工通信就是公路上允许车辆同时双向行驶，数据可以在发送机和接收机之间同时相互传输。

波特率：
波特率是发送二进制数据位的速率，单位是bps（即每秒传输二进制位的数量）

二、UART（串口通讯）

2.1 简介

简介：
通用异步收发器，是一种通用串行、异步通信总线，该总线有两条数据线，可以实现全双工的发送和接收，常用于单片机与单片机或外部辅助设备之间的通信，

2.2 时序图分析

注意：
UART从低位开始发送数据，一次只能发送8位数据，加上起始位和停止位，实际上一共是发送了10位
UART应用的场景
RS232 9针串行接口：一般用于计算机和单片机之间的通信
USB转串口：这个是目前计算机和单片机之间通信最常见的方式
整体来说UART多用于板间通信，比如单片机与单片机，单片机与计算机，一个设备与另一个设备之间的通讯。

2.3 UART的局限性

1.不能远距离传输信号
因为串口通讯使用的是TTL电平，只能在很短的距离进行通讯，不然信号很容易受到干扰，如果需要远离的通信，则需要在中间加入抗干扰的芯片，因此，衍生出了RS232（最大支持30米）、RS485（最大距离可以超过1000米），同时RS485还增加了一对多的通信功能。

2.通信速递慢
大部分的情况下，我们使用的最高串口的波特率为115200（11.25KB/s），按照这个速度，一个小时都写不满一张64M的SD卡。究其原因，是UART的通信需要双方约定好特定的波特率，由于早期的单片机的频率低，时钟精度低的问题，双方不可能保持严格的一致，传输的速度太快很容易出现误码的情况。
解决这个问题的爆发就是，加入一个CLOCK的信号，双方不需要约定具体的通信速度，因此衍生出了SPI（最高的传输速度，可突破10M）

3.不能一对多通信（原则上只支持一对一的方式）
当系统有很多个传感器时进行数据传输时，MCU就需要多个串口来连接这些设备，会导致接口资源的浪费。

因此，衍生出了I2C通讯，它的最大的优势就是支持一对多的通讯方式，
I2C通讯有两根线，一个是时钟线CLOCK，一个是数据线DATA，每个设备都挂在在这两根线上，故称为总线。每个设备都有自己的独立的ID号（地址）。当单片机想要和任意的设备通讯时，只需要按照特定的通讯协议，找到相应的设备进行通讯即可。

三、I2C

3.1简介

简介：
(1) I2C：是PHILIPS公司开发的一种两线式、串行、半双工同步通信总线，可以挂载多个参与通信的器件，常用于板内通信，比如单片机与外围芯片之间短距离、低速的信号传输

(2) I2C协议：主要是解决了单片机一对多的通信问题，通过构建一条信息通道，只需两个IO口，两条线，就可以把电路板上的所有芯片串起来，利用这个信息通道相互传输数据，相比于UART的通讯方式，大大节约了单片机的宝贵的IO资源，也降低了PCB的布线成本

3.1 硬件部分的知识

(1) 问题一：在某一时刻，如果有两个设备同时发送数据，应该会发生什么？比如设备A要发送1，设备B 要发送0，如下图所示，最终数据总线上会是高电平还是低电平？

回答：
为解决上述的问题，I2C做了一些阉割的处理（这也是I2C硬件设计最精髓的地方），
先介绍一下，一般芯片如何输出高低电平：
在芯片10口的内部一般会有两颗MOS管，上面的MOS管导通就输出高电平，下面的MOS管导通就输出高电平

如果两个芯片都挂在在同一个数据的总线上，在某一时刻，芯片A输出高电平，芯片B输出低电平，此时，电流就直接从电源流入地，造成电路短路，必定元器件内烧毁

所以，为了避免这种情况的发生，I2C总线对于设备的IO口，做了一些阉割处理，去掉了上面的MOS管，这样就不可能存在短路的情况了。

不过这样也会带来另外的问题：设备只能输出低电平，无法输出高电平。
解决办法：
在数据总线上，加一颗上拉电阻，那么数据总线就默认输出高电平了（也就是后面的通讯时，空闲状态为什么是高电平的原因）
重新回到一开始的问题：两个设备如果同时要发送信号，怎么办？

当设备A输出高电平，设备B输出低电平时，此时总线式处于低电平的，无法满足设备A的需求，此时就需要软件协议来解决这个问题（也就是发送数据前，要进行寻址的操作，确定通讯的设备）

总结：
I2C为了解决多设备共用总线，而步烧毁电路的问题，采用开漏输出的方案，配合上拉电阻，就可以输出完整的高低电平，这个上拉电阻的取值一般在几千欧姆（4.7k欧姆），如果总线设备多且通信速度要求高的话，电阻就选着小一些，反之，电阻大一些

注意：
由于I2C采用开漏输出加上拉电阻的模式，所以I2C的抗干扰的能力比较弱，只适合用于同一块电路板上的芯片之间的通信，并不适合超过30cm电路板之间的通讯

3.2 通讯规则与时序分析：

SCL时钟线：SCL时钟线用于同步
SDA数据线：用于传输数据

I2C总线能挂载多个器件，且支持多主机模式，也就是说，线路上的任何一个器件都可以作为主机，但受限于只有一根信号线，同一也就是发起和结束一次通信的权利时刻只能有一个主机，主机拥有该时刻下总线的控制权，而从机只能被主机呼叫。
问题：那线路上有这么多器件，主机是怎么识别出自己要呼叫的从机？
回答：
在I2C总线协议中，每个器件都有一个固定的号码，他是一个7位的地址 ，如上图所示，每个设备的地址。例如，主机要获取设备E2PROM的数据，会事先发一个0x31找到E2PROM设备
I2C的时序图

寻址流程：
1.I2C协议发送数据是从高位到低位依次发送，当总线空闲时，SCL时钟线和SDA数据线均保持高电平，
2.当主机要开始传输数据时，会先将SDA电平拉低，而此时SDA数据线上这个从高到低的跳变沿，就是起始位。
3.接下来就是进行期间寻址，在SCL低电平时依次发送七位地址位
4.地址发送完之后，紧接着主机会发送一个读写指示位，低电平表示要发送数据，高电平表示要请求数据
5.主机发送完以上数据从机如果成加接收，会发送一个应答位到总线上
注意：只有SCL处于低电平时，SDA可以变化，SCL高电平时，SDA需要保持，以方便数据接收方读取操作
数据发送：

I2C通信一般流程:
1.主机发送起始位并进行从机寻址
2.得到应答后主机开始发送 / 读取数据位
3.数据发送 / 读取完成主机发送停止位结束此次通信

应用的设备：
1.温湿度传感器

四、SPI

4.1 简介

简介
串行外围设备接口，是一种高速、全双工、同步通信总线，常用于单片机和E2PROM、FLASH、实时时钟、数字信号处理器等器件的通信，它主要是主从方式通信，通常只有一个主机和数个从机。

SCLK:时钟信号，由主机产生(Must)
MOSl:主机给从机发送指令或数据的通道
MIS0:主机读取从机的状态或数据的通道
CS:从机片选使能信号

在同一时刻，主机只能跟一个从机进行通信，当总线存在多个从机时，需要进行片选，将从机的CS接口电平拉低或者拉低。

4.2 时序图

以SCLK时钟线空闲时时高电平为例：
1.当SCLK出现下降沿时（从高电平跳到低电平时），进行数据输出
2.当SCLK出现上升沿时（从低电平跳到高电平时），进行数据采样

注意：
1.SPI发送数据也是从高位到低位依次发送数据
2.SPI的时钟线SCLK在空闲的时候可以是高电平也可是低电平（由时钟的极性决定）
3.和I2C相比，SPI没有开始位、结束位、应答位，故规则上简单很多

CPIOL时钟极性：
a. CPOL=0时，SCLK空闲时状态为低电平
b. CPOL=1时，SCLK空闲时状态为高电平

CPHA时钟的相位：它决定了什么时候进行数据输出，什么时候进行数据采样
a. CPHA=0时，每个周期的第一个跳变沿采样
b. CPHA=1时，每个周期的第一个跳变沿输出

不管上述哪一种设置，输出和采样都是交替进行，以上的两两组合，就构成了SPI的四种工作模式。

五、 总结

常见的问题：UART/I2C/SPI这三种通讯协议之间的异同点是什么？
回答：
1.通讯模式上：
SPI和IIC是同步通信，依赖时钟信号；而UART是异步通信，使用起始位和停止位来界定数据包。
2.从通讯的管脚上来说：
UART：只使用数据线和地线。通信双方需要预先约定波特率
I2C：使用两条线进行通信：数据线（SDA）和时钟线（SCL）。
SPI：使用四条线进行通信：主设备输出数据线（MOSI）、主设备输入数据线（MISO）、时钟线（SCLK）和从设备选择线（CS）

3.通讯的速率上：
SPI通常提供最高的数据传输速度(可突破10M)，其次是IIC，UART相对较慢.

4.多设备通信方面：
IIC和SPI都支持多设备通信，但SPI需要为每个设备提供单独的SS（片选）信号线，而IIC通过地址识别设备。而UART原则上只支持一对一的通讯方式。
5.从纠错的方面：
UART有奇偶检验的方式来纠错，I2C有应答的方式来纠错，SPI没有