一、UART

UART，全稱UniversalAsynchrONous Receiver/Transmitter，譯為通用異步收發(fā)器（異步串行通信口），比SPI、I2C這兩種同步串口的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多，一般由波特率產(chǎn)生器（產(chǎn)生的波特率等于傳輸波特率的16倍）、UART接收器、UART發(fā)送器組成。硬件上有兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收。數(shù)據(jù)是異步傳輸?shù)模瑢?duì)雙方的時(shí)序要求比較嚴(yán)格。串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。在多機(jī)通信上面用的最多。如果用GPIO口模擬UART總線，則需一個(gè)輸入口，一個(gè)輸出口。

1、UART幾個(gè)相關(guān)的概念

部分參考，GPIO，I2C，SPI，UART，USART，USB的區(qū)別_步印的博客-CSDN博客_spi和gpio的區(qū)別

UART包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即UART是異步串行通信口的總稱。而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等，是對(duì)應(yīng)各種異步串行通信口的接口標(biāo)準(zhǔn)和總線標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機(jī)械特性等內(nèi)容。是屬于通信網(wǎng)絡(luò)OSI模型中的物理層?的概念。具體可以看《嵌入式硬件通信接口協(xié)議-UART（二）不同電氣規(guī)范下的標(biāo)準(zhǔn)》這篇文章。

UART的電平信號(hào)由MCU芯片決定，TTL/CMOS，是嵌入式硬件系統(tǒng)的信號(hào)電平。日常的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，MCU管腳上的UART通信電平就是TTL/CMOS電平信號(hào)。TTL電平，邏輯“0”等于0V電壓，邏輯“1”等于+5V電壓。CMOS電平，邏輯“0”接近0V電壓，邏輯“1”接近電源電壓（3.3V或其他）。TTL電路與CMOS電路比較，TTL電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件；TTL的速度快，傳輸延遲時(shí)間短(5-10ns)，但是功耗大。CMOS電路的速度慢，傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)(25-50ns)，但功耗低。CMOS電路本身的功耗與輸入信號(hào)的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片即越熱，這是正常現(xiàn)象。

COM口是PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）上，異步串行通信口的簡(jiǎn)寫。在PC等操作系統(tǒng)上，COM口區(qū)別于USB、SATA接口的串行接口，定義了在操作系統(tǒng)中的規(guī)范。由于歷史原因，IBM的PC外部接口配置為RS232，成為實(shí)際上的PC界默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。所以，現(xiàn)在PC機(jī)的COM口均為RS232。若配有多個(gè)異步串行通信口，則分別稱為COM1、COM2等等，但由于串口（COM）不支持熱插拔及傳輸速率較低，目前部分新主板和大部分便攜電腦已開(kāi)始取消該接口。目前串口多用于工控和測(cè)量設(shè)備以及部分通信設(shè)備中。

UART多應(yīng)用兩個(gè)設(shè)備之間的通信，如用單片機(jī)的設(shè)備和計(jì)算機(jī)的通信。這樣的通信可以做長(zhǎng)距離的。UART速度比SPI、I2C兩者者快，最高達(dá)100K左右，用與計(jì)算機(jī)與設(shè)備或者計(jì)算機(jī)和計(jì)算之間通信，但有效范圍不會(huì)很長(zhǎng)，約10米左右，UART優(yōu)點(diǎn)是支持面廣，程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，隨著USB的發(fā)展，UART也逐漸走向下坡。

我們常說(shuō)的串口，是指使用RS232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸?shù)腢ART接口(9針)。

2、UART通訊需要配置的參數(shù)

1）波特率

波特率部分文章參考，DigCore：嵌入式硬件通信接口協(xié)議-UART（一）協(xié)議基礎(chǔ)

由于UART屬于異步通信，在通信過(guò)程中沒(méi)有同步時(shí)鐘CLK來(lái)提供給接收方，接收方也就無(wú)法同步地確定每個(gè)bit的寬度，也就無(wú)法對(duì)每個(gè)bit進(jìn)行正確的采樣。因此接收方必須依靠設(shè)置與發(fā)送方相同的波特率參數(shù)，這樣接收方對(duì)信號(hào)管腳進(jìn)行采樣和解碼時(shí)，才能正確判斷每個(gè)bit的值是“1”還是“0”，這也就是異步通信的特點(diǎn)。

在各類MCU的UART配置中，常用的波特率值有：4800Bd、9600Bd、19200Bd、115200Bd，單位Bd。

在維基百科的介紹中，可看到，波特率的值，直接以bit/s的單位取倒數(shù)后得到單位s/bit。在示波器端對(duì)UART發(fā)出的波形進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，可見(jiàn)每bit的寬度在誤差允許范圍內(nèi)基本就是波特率的倒數(shù)值。

在百度百科的詞條介紹中

調(diào)制速率，指的是有效數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制載波的速率，即單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)變化的次數(shù)。它是對(duì)符號(hào)傳輸速率的一種度量，1波特即指每秒傳輸1個(gè)符號(hào)，而通過(guò)不同的調(diào)制方式，可以在一個(gè)碼元符號(hào)上負(fù)載多個(gè)bit位信息。單位“波特”本身就已經(jīng)是代表每秒的調(diào)制數(shù)，以“波特每秒”（Baud per second）為單位是一種常見(jiàn)的錯(cuò)誤。
它代表的是信號(hào)的變化，而不是傳輸數(shù)據(jù)的多少。它表示每秒鐘內(nèi)通信線路狀態(tài)改變的次數(shù)。如果數(shù)據(jù)不壓縮，波特等于每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，如果數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮。那么每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)通常大于調(diào)制速率，使得交換使用波特和比特/秒有時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

但是在現(xiàn)代的實(shí)際使用中，多數(shù)情況下，配置了MCU的波特率后，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)波特率就等于比特率。也正是因?yàn)榇藭r(shí)傳輸?shù)姆?hào)即8bit一個(gè)Byte的數(shù)據(jù)量，從而波特率等于比特率。

其中，fck為 USART 時(shí)鐘。USARTDIV 是一個(gè)存放在波特率寄存器(USART_BRR)的一個(gè)無(wú)符號(hào)定點(diǎn)數(shù)。DIV_Mantissa[11:0]位定義 USARTDIV 的整數(shù)部分，DIV_Fraction[3:0]位定義 USARTDIV 的小數(shù)部分。例如：DIV_Mantissa=24(0x18)，DIV_Fraction=10(0x0A)，此時(shí) USART_BRR 值為0x18A；那么USARTDIV的小數(shù)位10/16=0.625；整數(shù)位24，最終USARTDIV的值為24.625。

如果拿到一塊板子或者一套設(shè)備，但沒(méi)有源碼程序，純靠硬件抓取通信串口的數(shù)據(jù)內(nèi)容，首先利用示波器觀測(cè)每個(gè)bit的寬度，后換算成比特率，這時(shí)候比特率基本上就是波特率了。利用串口助手模塊，在PC端下載個(gè)串口助手，設(shè)置匹配的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取。

比如抓到波形116us/bit, 直接轉(zhuǎn)換得：1bit/116us = 1 bit/(116/1000000)s = 8620.68 bit/s，此時(shí)配置串口助手的波特率，利用串口助手模塊與被測(cè)信號(hào)管腳進(jìn)行連接，即可實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的抓取。

2）數(shù)據(jù)格式

起始位：數(shù)據(jù)線空閑狀態(tài)為高電平，要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將其拉低一個(gè)時(shí)鐘周期表示起始位。

數(shù)據(jù)位：使用校驗(yàn)位時(shí)，數(shù)據(jù)位可以有5~8位；如果不使用校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位可以達(dá)9位。

校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)，保證包括校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)位在內(nèi)的所有位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。

停止位：為了表示數(shù)據(jù)包發(fā)送的結(jié)束，發(fā)送端需要將信號(hào)線從低電平變?yōu)楦唠娖剑⒅辽俦３?個(gè)時(shí)鐘周期。

3）流控制

流控制，俗話說(shuō)就是“握手”。流控制的作用，在不同處理性能的設(shè)備之間，數(shù)據(jù)傳輸之前，接收方會(huì)以“流控制”來(lái)通知發(fā)送方，是否可以繼續(xù)進(jìn)行接下來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸。這樣的應(yīng)用場(chǎng)景多見(jiàn)于計(jì)算機(jī)與低性能的微控制器通信，也可見(jiàn)于PC與打印機(jī)之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，該特點(diǎn)都是接收方的接收緩存已滿或處理事務(wù)較慢時(shí)，從而需要流控制來(lái)告知發(fā)送方稍后再發(fā)送。

流控制的方式分別有軟件和硬件兩種。

軟件的流控制方式，在UART通信中，只需RxD、TxD、GND三根即可，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，依靠代碼的判斷處理，并通過(guò)收發(fā)雙方進(jìn)行的數(shù)據(jù)交互完成控制，在現(xiàn)有通信物理信號(hào)線基礎(chǔ)上，使用控制字符(ASCII表中的0x00~0x0x1F、0x7F)完成控制指令的交互。一般在私有協(xié)議下也會(huì)定義一些特殊字符設(shè)為控制指令。

硬件的流控制方式，即在原有的RxD、TxD、GND三根信號(hào)線的基礎(chǔ)上，再增加RTS/CTS和DTR/DSR這兩組信號(hào)線。第一組線是RTS（Request toSend）和CTS（Clear toSend）。當(dāng)接收方準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，它置高RTS線表示它準(zhǔn)備好了，如果發(fā)送方也就緒，它置高CTS，表示它即將發(fā)送數(shù)據(jù)。第二組線是DTR（DataTerminal Ready）和DSR（Data SetReady）。這些線主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他們的狀態(tài)。例如：當(dāng)Modem已經(jīng)準(zhǔn)備好接收來(lái)自PC的數(shù)據(jù)，它置高DTR線，表示和電話線的連接已經(jīng)建立。讀取DSR線置高，PC機(jī)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則是DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信就緒，而RTS/CTS用于單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。

3、UART的優(yōu)缺點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)
只使用兩根電線，不需要時(shí)鐘信號(hào)。有一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，只要雙方設(shè)置后，就可以改變數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)

2）缺點(diǎn)
數(shù)據(jù)幀的大小限制為最多9位，不支持多個(gè)從屬或多個(gè)主系統(tǒng)，每個(gè)UART的波特率必須在10％之內(nèi)

二、SPI

參考文章，?SPI、I2C、UART、CAN_一只大笨貓的博客-CSDN博客

SPI，Serial Peripheral interface，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI總線是微控制器四線的外部總線（相對(duì)于內(nèi)部總線）。與IIC不同，SPI沒(méi)有明文標(biāo)準(zhǔn)，只是一種事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)通信操作的實(shí)現(xiàn)只作一般的抽象描述，芯片廠商與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)者通過(guò)data sheets和application notes溝通實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)。

SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。SPI是一種高速，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如AT91RM9200。

SPI分為主、從兩種模式，一個(gè)SPI通訊系統(tǒng)需要包含一個(gè)（且只能是一個(gè)）主設(shè)備，一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。SPI接口的讀寫操作，都是由主設(shè)備發(fā)起。當(dāng)存在多個(gè)從設(shè)備時(shí)，通過(guò)各自的片選信號(hào)進(jìn)行管理。

1、SPI使用的四根信號(hào)線

SCLK: Serial Clock (output from master)：串行時(shí)鐘，用來(lái)同步數(shù)據(jù)傳輸，由主機(jī)輸出；

MOSI SIMO: Master Output, Slave Input(output from master)：主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線，通常先傳輸MSB；

MISO SOMI: Master Input, Slave Output(output from slave)：主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線，通常先傳輸LSB；

SS: Slave Select (active low, output from master)：片選線，低電平有效，由主機(jī)輸出。

SSCS：控制芯片是否被選中的，也就是說(shuō)只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（一般默認(rèn)為低電位），對(duì)此芯片的操作才有效，這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。也就是說(shuō)：當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備的時(shí)候，因?yàn)槊總€(gè)從設(shè)備上都有一個(gè)片選引腳接入到主設(shè)備機(jī)中，當(dāng)我們的主設(shè)備和某個(gè)從設(shè)備通信時(shí)將需要將從設(shè)備對(duì)應(yīng)的片選引腳電平拉低。

2、SPI的四種操作模式

SPI的四種操作模式，它們的區(qū)別是定義了在時(shí)鐘脈沖的哪條邊沿轉(zhuǎn)換（toggles）輸出信號(hào)，哪條邊沿采樣輸入信號(hào)，還有時(shí)鐘脈沖的穩(wěn)定電平值（就是時(shí)鐘信號(hào)無(wú)效時(shí)是高還低）。

對(duì)于STM32等MCU自帶的硬件SPI外設(shè)來(lái)說(shuō)，可能沒(méi)有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是對(duì)于使用使用GPIO模擬或者FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI的時(shí)序，這一點(diǎn)是非常非常重要的。

Master 設(shè)備會(huì)根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖(Clock Pulse)，時(shí)鐘脈沖組成了時(shí)鐘信號(hào)(Clock Signal) ，每種模式由時(shí)鐘信號(hào)中的時(shí)鐘極性（clock polarity）CPOL與時(shí)鐘周期（clock phase）CPHA來(lái)定義。

不同的從設(shè)備可能在出廠是就是配置為某種模式，這是不能改變的，但我們的通信雙方必須是工作在同一模式下，所以我們可以對(duì)我們的主設(shè)備的SPI模式進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)主從通訊。

時(shí)鐘極性CPOL是用來(lái)配置SCLK的電平出于哪種狀態(tài)時(shí)是空閑態(tài)或者有效態(tài)；時(shí)鐘相位CPHA是用來(lái)配置數(shù)據(jù)采樣是在第幾個(gè)邊沿。

CPOL=0，表示當(dāng)SCLK=0時(shí)處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于高電平時(shí)；

CPOL=1，表示當(dāng)SCLK=1時(shí)處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于低電平時(shí)；

CPHA=0，表示數(shù)據(jù)采樣是在第1個(gè)邊沿，數(shù)據(jù)發(fā)送在第2個(gè)邊沿；

CPHA=1，表示數(shù)據(jù)采樣是在第2個(gè)邊沿，數(shù)據(jù)發(fā)送在第1個(gè)邊沿。

在高電平有效狀態(tài)時(shí)，第一邊沿為上升沿，第二邊沿為下降沿；在低電平有效狀態(tài)時(shí)，第一邊沿為下降沿，第二邊沿為上升沿

具體四種模式如下：

CPOL = 0，CPHA = 0：時(shí)鐘高電平時(shí)為有效狀態(tài)，時(shí)鐘上升沿（第一個(gè)邊沿）采樣。

CPOL = 0，CPHA = 1：時(shí)鐘高電平時(shí)為有效狀態(tài)，時(shí)鐘下降沿（第二個(gè)邊沿）采樣。

CPOL = 1，CPHA = 0：時(shí)鐘低電平時(shí)為有效狀態(tài)，時(shí)鐘下降沿（第一個(gè)邊沿）采樣。

CPOL = 1，CPHA = 1：時(shí)鐘低電平時(shí)為有效狀態(tài)，時(shí)鐘上升沿（第二個(gè)邊沿）采樣。

3、SPI的數(shù)據(jù)交換

參考文章，不撐了不撐了：SPI通信協(xié)議介紹

SPI可分為主、從兩種模式，并且支持全雙工模式，所以這也就導(dǎo)致STM32的SPI接口比較復(fù)雜。比如：配置SPI為主模式、配置SPI為從模式、配置SPI為單工通信、配置SPI為雙工通信等等。

在每個(gè) Clock 周期內(nèi)，SPI 設(shè)備都會(huì)發(fā)送并接收一個(gè) bit 大小的數(shù)據(jù)(不管主設(shè)備還是從設(shè)備)，相當(dāng)于該設(shè)備有一個(gè) bit 大小的數(shù)據(jù)被交換了。

1）主從機(jī)的選擇：

SPI 規(guī)定了兩個(gè) SPI 設(shè)備之間通信必須由主設(shè)備 (Master) 來(lái)控制次設(shè)備 (Slave)。一個(gè) Master 設(shè)備可以通過(guò)提供 Clock 以及對(duì) Slave 設(shè)備進(jìn)行片選 (Slave Select) 來(lái)控制多個(gè) Slave 設(shè)備，當(dāng)我們的主設(shè)備和某個(gè)從設(shè)備通信時(shí)將需要將從設(shè)備對(duì)應(yīng)的片選引腳電平拉低或者是拉高。SPI 協(xié)議還規(guī)定 Slave 設(shè)備的 Clock 由 Master 設(shè)備通過(guò) SCK 管腳提供給 Slave 設(shè)備， Slave 設(shè)備本身不能產(chǎn)生或控制 Clock，沒(méi)有 Clock 則 Slave 設(shè)備不能正常工作。

2）數(shù)據(jù)交換的流程：

參考文章：曾小慶：SPI通信協(xié)議詳解（spi總線）

主機(jī)和從機(jī)都有一個(gè)串行移位寄存器（SSPSR）?。它的主要作用是根據(jù)?SPI 時(shí)鐘信號(hào)狀態(tài)，往 SSPBUF 里移入或者移出數(shù)據(jù)，每次移動(dòng)的數(shù)據(jù)大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所決定。Bus-Width 的作用是指定地址總線到 Master(主)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝弧hannel-Width 的作用是指定 Master(主)設(shè)備與 Slave(從)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝弧?/p>

主機(jī)通過(guò)向它的SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來(lái)發(fā)起一次傳輸。串行移位寄存器通過(guò)MOSI信號(hào)線將字節(jié)傳送給從機(jī)，同時(shí)從機(jī)也將自己的串行移位寄存器中的內(nèi)容通過(guò)MISO信號(hào)線返回給主機(jī)。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換。外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進(jìn)行寫操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個(gè)字節(jié)，就必須發(fā)送一個(gè)空字節(jié)來(lái)引發(fā)從機(jī)的傳輸。

SPI的時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，主要是在SCLK的控制下，數(shù)據(jù)按照從高位到低位的方式依次移出主機(jī)寄存器和從機(jī)寄存器，并且依次移入從機(jī)寄存器和主機(jī)寄存器。當(dāng)寄存器中的內(nèi)容全部移出時(shí)，相當(dāng)于完成了兩個(gè)寄存器內(nèi)容的交換。

假設(shè)主機(jī)的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。那么第一個(gè)上升沿來(lái)的時(shí)候，主機(jī)將會(huì)通過(guò)MOSI信號(hào)線傳輸給從機(jī)最高位1，自身寄存器變成0101010x。同時(shí)，MISO信號(hào)線會(huì)從從機(jī)處返回一個(gè)數(shù)據(jù)給主機(jī)，那么這時(shí)寄存器為0101010MISO，這樣在 8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，兩個(gè)寄存器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成里一個(gè)SPI時(shí)序。

主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)是同時(shí)完成的，兩者的接收數(shù)據(jù)也是同時(shí)完成的。也就是說(shuō)，當(dāng)上升沿主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，從機(jī)也發(fā)送了數(shù)據(jù)。所以為了保證主從機(jī)正確通信，應(yīng)使得它們的SPI具有相同的時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。

3）SPI的傳輸速率：

參考文章；王超：一文看懂SPI協(xié)議

SCLK的速率就是SPI的傳輸速率，SPI協(xié)議沒(méi)有一個(gè)固定的速率，不像I2C標(biāo)準(zhǔn)模式100K，快速模式400K，高速模式3.4M，SPI的傳輸速率取決于器件本身支持多高的速率。最初的標(biāo)準(zhǔn)定義總線速度為100kbps。經(jīng)歷幾次修訂，主要是1995年的400kbps，1998的3.4Mbps。

4）SPI的傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：

參考文章：對(duì)三種總線SPI、UART、I2C分析理解 - 接口/總線/驅(qū)動(dòng) - 電子發(fā)燒友網(wǎng)

SCLK時(shí)鐘線存在使得數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)摹Ｓ蒘CLK提供時(shí)鐘脈沖，SDI、SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過(guò) SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CLK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒(méi)有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，主設(shè)備通過(guò)對(duì)SCLK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。

主從設(shè)備必須使用相同的工作參數(shù)——SCLK、CPOL 和 CPHA，才能正常工作。如果有多個(gè)從設(shè)備，并且它們使用了不同的工作參數(shù)，那么主設(shè)備必須在讀寫不同從設(shè)備間重新配置這些參數(shù)。

參考文章：?華清遠(yuǎn)見(jiàn)：史上講得最清楚的I2C和SPI總線協(xié)議

SPI也沒(méi)規(guī)定通信應(yīng)答機(jī)制，沒(méi)有規(guī)定流控制規(guī)則。事實(shí)上，SPI主設(shè)備甚至并不知道指定的從設(shè)備是否存在。這些通信控制都得通過(guò)SPI協(xié)議以外自行實(shí)現(xiàn)。例如，要用SPI連接一支命令-響應(yīng)控制型?解碼芯片，則必須在SPI的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的通信協(xié)議。SPI并不關(guān)心物理接口的電氣特性，例如信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。在最初，大多數(shù)SPI應(yīng)用都是使用間斷性時(shí)鐘脈沖和以字節(jié)為單位傳輸數(shù)據(jù)的，但現(xiàn)在有很多變種實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性時(shí)間脈沖和任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀。

三、IIC

參考文章：SPI、I2C、UART、CAN_一只大笨貓的博客-CSDN博客_i2c spi

IIC（Inter-Integrated Circuit）開(kāi)發(fā)于1982年，當(dāng)時(shí)是為了給電視機(jī)內(nèi)的CPU和外圍芯片提供更簡(jiǎn)易的互聯(lián)方式。電視機(jī)是最早的嵌入式系統(tǒng)之一，而最初的嵌入系統(tǒng)是使用內(nèi)存映射（memory-mapped I/O）的方式來(lái)互聯(lián)微控制器和外圍設(shè)備的。要實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射，設(shè)備必須并聯(lián)入微控制器的數(shù)據(jù)線和地址線，這種方式在連接多個(gè)外設(shè)時(shí)需大量線路和額外地址解碼芯片，很不方便并且成本高。為了節(jié)省微控制器的引腳和和額外的邏輯芯片，使印刷電路板更簡(jiǎn)單，成本更低，位于荷蘭的Philips實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了IIC ，一種只使用二根線接連所有外圍芯片的總線協(xié)議。

IIC 是多主設(shè)備的總線，IIC沒(méi)有物理的芯片選擇信號(hào)線，沒(méi)有仲裁邏輯電路，只使用serial data (SDA)數(shù)據(jù)線?和?serial clock(SCL)時(shí)鐘線兩條信號(hào)線，數(shù)據(jù)線用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，時(shí)鐘線用來(lái)同步數(shù)據(jù)收發(fā)。兩根信號(hào)線都是雙向傳輸?shù)模@兩條線都是漏極開(kāi)路或者集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，使用時(shí)需要外加上拉電阻，可以掛載多個(gè)設(shè)備。

1、IIC的傳輸流程

參考文章：Kevin Zhang：硬件知識(shí)——IIC傳輸

IIC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)起通信的設(shè)備稱為主設(shè)備，主設(shè)備發(fā)起一次通信后，其它設(shè)備均為從設(shè)備。

1）IIC 通信過(guò)程大致如下

首先，主設(shè)備發(fā)一個(gè)START信號(hào)。然后其它設(shè)備開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)總線以準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)START起始信號(hào)產(chǎn)生后，I2C總線就處于被占用的狀態(tài)，當(dāng)停止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。

接著，主設(shè)備發(fā)送一個(gè)8位的數(shù)據(jù)幀（IIC規(guī)定數(shù)據(jù)幀大小必須為8位的字節(jié)），包括7位設(shè)備地址數(shù)據(jù)幀（每一個(gè)IIC設(shè)備都有一個(gè)唯一的七位設(shè)備地址）和?1位的讀寫操作的數(shù)據(jù)幀（讀/寫位用于確定主設(shè)備是向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)還是主設(shè)備從從設(shè)備接受數(shù)據(jù)，0代表寫，1代表讀）。

當(dāng)所有設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，比對(duì)地址自己是否為目標(biāo)設(shè)備。如果比對(duì)不符，設(shè)備進(jìn)入等待狀態(tài)，等待STOP信號(hào)的來(lái)臨；如果比對(duì)相符，該設(shè)備會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACKNOWLEDGE作回應(yīng)。這時(shí)主設(shè)備就和該從設(shè)備建立了連接。

當(dāng)主設(shè)備收到應(yīng)答后便開(kāi)始傳送或接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀大小為8位，尾隨一位的應(yīng)答信號(hào)。主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備應(yīng)答；相反主設(shè)備接收數(shù)據(jù)，主設(shè)備應(yīng)答。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完畢，主設(shè)備發(fā)送一個(gè)STOP信號(hào)，向其它設(shè)備宣告釋放總線，其它設(shè)備回到初始狀態(tài)。

2）兩條數(shù)據(jù)線在各個(gè)通訊過(guò)程中高低電平的狀態(tài)

參考文章：Serendipity：Linux驅(qū)動(dòng)篇(七)——I2C(一)

空閑時(shí)SDA和SCL被拉高，處于高電平的位置。連到IIC總線上的任一設(shè)備輸出低電平都會(huì)把總線信號(hào)拉低，即各器件的SDA和SCL都是與的關(guān)系。根據(jù)這兩條線的高低電平、上升沿、下降沿就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與I2C設(shè)備的通訊。

開(kāi)始與結(jié)束：當(dāng)SCL保持高電平期間，SDA從高電平跳變到低電平，即為開(kāi)始條件START。當(dāng)SCL保持高電平期間，SDA從低電平跳變到高電平，即為結(jié)束條件STOP。

傳輸：IIC總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SDA線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必須在SCL線的低電平期。在SCL線的高電平期，SDA線的上數(shù)據(jù)是穩(wěn)定不變的。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)先傳數(shù)據(jù)位。

主設(shè)備在SCL線上產(chǎn)生每個(gè)時(shí)鐘脈沖的過(guò)程中將在SDA線上傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位，當(dāng)一個(gè)字節(jié)按數(shù)據(jù)位從高位到低位的順序傳輸完后，緊接著，從設(shè)備在每個(gè)字節(jié)后的第9個(gè)時(shí)鐘周期將SDA保持低電平進(jìn)行確認(rèn)數(shù)據(jù)，回傳給主設(shè)備一個(gè)ACK，此時(shí)才認(rèn)為一個(gè)字節(jié)真正的被傳輸完成。

當(dāng)然，并不是所有的字節(jié)傳輸都必須有一個(gè)ACK，比如：當(dāng)從設(shè)備不能再接收主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，從設(shè)備將回傳一個(gè)否定ACK，SDA線為高表示否定ACK。

應(yīng)答：當(dāng)IIC主機(jī)（不一定是發(fā)送端還是接受端）將8位數(shù)據(jù)或命令傳出后，會(huì)將SDA信號(hào)設(shè)置為輸入，等待從機(jī)應(yīng)答（等待SDA由高電平拉為低電平）。若從機(jī)正確應(yīng)答，表明數(shù)據(jù)或者命令傳輸成功，否則傳輸失敗，注意，應(yīng)答信號(hào)是數(shù)據(jù)接收方發(fā)送給數(shù)據(jù)發(fā)送方的。

3、IIC的一些拓展知識(shí)

參考文章：華清遠(yuǎn)見(jiàn)：史上講得最清楚的I2C和SPI總線協(xié)議

1）10位設(shè)備地址

任何IIC設(shè)備都有一個(gè)7位地址，理論上，現(xiàn)實(shí)中只能有127種不同的IIC設(shè)備。實(shí)際上，已有IIC的設(shè)備種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于這個(gè)限制，在一條總線上出現(xiàn)相同的地址的IIC設(shè)備的概率相當(dāng)高。為了突破這個(gè)限制，很多設(shè)備使用了雙重地址——7位地址加引腳地址（external configuration pins）。IIC 標(biāo)準(zhǔn)也預(yù)知了這種限制，提出10位的地址方案。

2）設(shè)備沖突的解決辦法

如果有兩個(gè)設(shè)備同時(shí)向SCL線和SDA線發(fā)送信息，基于IIC總線的設(shè)計(jì)，線路上不可能出現(xiàn)電平?jīng)_突現(xiàn)象。如果一支設(shè)備發(fā)送邏輯0，其它發(fā)送邏輯1，那么線路看到的只有邏輯0。也就是說(shuō)，如果出現(xiàn)電平?jīng)_突，發(fā)送邏輯0的始終是“贏家”。

總線的物理結(jié)構(gòu)亦允許主設(shè)備在往總線寫數(shù)據(jù)的同時(shí)讀取數(shù)據(jù)。這樣，任何設(shè)備都可以檢測(cè)沖突的發(fā)生。當(dāng)兩支主設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)總線的時(shí)候，“贏家”并不知道競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)生，只有“輸家”發(fā)現(xiàn)了沖突——當(dāng)它寫一個(gè)邏輯1，卻讀到0時(shí)——而退出競(jìng)爭(zhēng)。

3）IIC的傳輸速率

IIC 數(shù)據(jù)傳輸速率有標(biāo)準(zhǔn)模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些變種實(shí)現(xiàn)了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。

四、三種通訊方式的特點(diǎn)與區(qū)別：

同步通訊：I2C，SPI　　異步通訊：UART
采集數(shù)據(jù)是否用的是時(shí)鐘的沿，如果是時(shí)鐘沿采數(shù)據(jù)，同步傳輸，如果電平采集數(shù)據(jù)是異步。串口接受數(shù)據(jù)其實(shí)就是一個(gè)串轉(zhuǎn)并的過(guò)程。

SPI和UART可以實(shí)現(xiàn)全雙工，但I(xiàn)2C不行

IIC 和 SPI 這兩種通信協(xié)議非常適合近距離低速芯片間通信。通信方式都是短距離的，芯片和芯片之間或者其他元器件如傳感器和芯片之間的通信。SPI和IIC是板上通信，IIC有時(shí)也會(huì)做板間通信，不過(guò)距離甚短，不過(guò)超過(guò)一米,例如一些觸摸屏，手機(jī)液晶屏那些薄膜排線很多用IIC，IIC能用于替代標(biāo)準(zhǔn)的并行總線，能連接的各種集成電路和功能模塊。

I2C是多主控總線，所以任何一個(gè)設(shè)備都能像主控器一樣工作，并控制總線。總線上每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的地址，根據(jù)設(shè)備它們自己的能力，它們可以作為發(fā)射器或接收器工作。多路微控制器能在同一個(gè)I2C總線上共存這兩種線屬于低速傳輸。

編輯：黃飛

?