UART、RS232、RS485、I2C和SPI的介绍

基本知识

• 串行通信：多个数据通过一条数据线，依次传输
• 并行通信：多个数据通过多条数据线，一次性传输
• 单工通信：只能接收数据或者发送数据（遥控器、收音机）
• 半双工通信：在同一时刻，只能接收数据或者发送数据（对讲机）
• 全双工通信：在同一时刻，既可以接收数据，也可以发送数据（电话）
• 波特率：用于描述通信时的通信速度，其单位是 bps(bit per second)，即每秒钟传送 bit 的数量

UART

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter），即通用异步收发器。

• 特点：
  1、有两根数据线（RXD、TXD）
  2、串行、异步通信
  3、全双工通信
  4、点对点通信：接收端和发送端（两个设备）

• 应用：在嵌入式系统中，常用于主机和辅助设备之间的通信

• 时序图
  

• UART每次通信只能发送一个字节，不能够累计发送（避免累计误差）；若要发送多个字节数据，需要先发送一个字节，然后结束通信，再开始通信，发送下一个字节

• 因为是异步通信，没有时钟线，所以通过波特率来区分 01还是0011

• 硬件连接图
  

• 一般情况下，SOC会集成 UART控制器，在使用UART进行通信的时候只需要对其内部的相关寄存器进行设置，即可完成通信

USART

USART是通用同步/异步收发器（带同步时钟线 USART_CK），只是一种协议方式，根据不同电平方式分为 RS232协议和RS485协议。

UART串口通信存在的问题：
1、电气接口不统一
2、抗干扰能力差：UART 直接使用 TTL信号表示 0 和 1，但 TTL信号的抗干扰能力很差，传输过程中很容易出错
3、通信距离短：因为 TTL信号的抗干扰能力较差，所以其通信距离也很短。一般只用于一个电路板上两个不同芯片之间的通信（板载间通信）

RS232协议：（点对点通信）
1、基于串口，所以时序图和 UART串口一致
2、在电气层上做了一些改变，统一电气接口（定义了一个标准的连接器，标准中对连接器的每个引脚的作用加以规定，还对信号的电平加以规定）
3、抗干扰能力变强，通信距离变长（一般可达15米）
4、电气接口为 DB-9，一般使用 RXD、TXD、GND这三条线
5、规定逻辑为 1的电平为 -5V到-15V；规定逻辑为 0 的电平为 +5V到+15V

硬件连接：

RS232协议存在的问题：
1、接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片
2、与 TTL电平不兼容，需要电平转换芯片才能与 TTL电路连接
3、通信速度低
4、易产生共模干扰，抗噪声干扰性弱
5、通信距离15米，还是较短

RS485协议
特点：（半双工通信）
1、采用差分信号进行数据传输（双绞线），使用两线间电压差为 +2V到+6V表示逻辑0；两线间电压差为 -2V到-6V表示逻辑1，从而实现了远距离通信（1500米）；且在电子噪声较大的环境下，能够有效传输信号
2、允许连接多个收发器，具有多站能力，也就是可以建立一个设备网络
3、RS485接口信号的电平比RS232降低了，所以不易损坏接口电路的芯片

硬件连接图（设备网络，RS485总线上挂载多个设备，主从机制参考 I2C总线）
120Ω电阻用来消除信号线上的共模干扰

I2C

划分：

• 传输模式
  标准模式（最快100k/s）
  快速模式（最快400k/s）
  高速模式（最快3.4M/s）
  10位寻址（最多1024个从机地址），可以和7位寻址兼容
• 按模式：主发送，主接收，从接收，从发送
  我告诉你:“晚上10点提醒我看球赛.”----对于我来说,这是主发送
  我问你:"到时间了吗?"你:“还没呐”-----对于我来说,这是主接收
  你提醒我:“10点啦!球赛开始啦!”-------对于我来说,这是从接收
  你问我:"现在几比几啦?"我:“还是0:0”–对于我来说,这是从发送

硬件连接图

起始信号： 当 SCL处于高电平时，SDA由高变低
停止信号： 当SCL处于高电平时，SDA由低变高
字节传送与应答： 发送器发送一个字节数据（先传送高位，再传送低位）；接收器发送 应答位 来回应，（1位低电平应答）
同步信号：
传输数据期间，
当 SCL为低电平期间，发送器向数据线上发送一位数据，在此期间数据线上的信号允许发生改变
当SCL为高电平期间，接收器从数据线上读取一位数据，在此期间数据线上的信号不允许发生改变（因为SCL为高电平时，数据线上信号改变会被认为是起始信号或者停止信号）

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外设接口的缩写，是一种高速、全双工、同步的串行通信总线；最少有四根线：MISO（主设备输入、从设备输出），MOSI（主设备输出、从设备输入），SCLK（时钟线），CS（片选线）
SPI采用主从方式工作，一般有一个主设备和一个或多个从设备

极性和相位： （根据芯片手册来判断）
SPI总线有四种不同的工作模式，取决于 极性（CPOL） 和 相位（CPHA）

CPOL表示 SCLK 空闲时的状态：
当 CPOL = 0，SCLK低电平表示总线空闲
当 CPOL = 1，SCLK高电平表示总线空闲

CPHA表示采样时刻：
当 CPHA = 0，每个周期的第一个时钟沿采样，相位为0
当 CPHA = 1，每个周期的第二个时钟沿采样，相位为1

I2C 和 SPI 的异同