单片机通信——spi、iic、uart

一、uart

通用异步收发器，就是常说的串口通信，常常用在异步通信并且是一种全双工的通信方式，不需要严格的时间限制，两个设备之间连线简单，往往只需要将RX，TX端交叉相连即可。现实中利用面很广，多用于调试，在以后学习Linux驱动开发时是非常重要的。uart的连接过程如下图，很简洁明了。

由图可见，数据在总线和uart之间还是并行传输的，但是两个设备之间的uart之间就采取了单线的传输，在传输的前，还会自动的添加起始位、奇偶校验位、停止位。具体的传输过程如下图：

这样对uart整个的工作流程就全部解刨开了，学习难度降了好多。在以前的文章里有手撕uart代码的文章，有兴趣的可以去看看。

二、spi-串行外设接口

这是一种同步全双工的传输方式，他的连线是这三种通信方式里面最多的，有一个clk串行时钟、MOSI主设备输出、MISO主设备输入、cs从设备片选。他的缺点就是每个从设备都需要有一个cs口用来对其在传输时进行选择。在数据传输时还需要考虑传输时是低电平有效还是高电平有效、第一个下降沿有效还是第二个下降沿有效，相当于有四种传输方式。内部spi通信相当于一个环路，输出数据后又读入数据：

具体读和取数据的过程如下（网上找到很好地一张工作流程图），需要16个脉冲才可以完成一个完整的读取周期。

三、iic

iic实现连线简单，只需要一个clk时钟线和sda数据线即可，但是iic的协议相对复杂。如图iic可以挂载多个设备，但是传输时只能有一个设备工作，iic是利用地址来选择从机的，这点和spi不同，两条线都有上拉电阻且都设为开漏输出，目的是为了数据传输时的稳定，也是一种规范，iic在高电平时是空闲状态。在数据传输时，clk在高电平的时候，SDA绝对不能发生改变，否则会发生错误。

在iic中想利用其收发数据必须会起始与终止信号：在SCL为高期间 SDA : 由高到低，起始信号、 SDA：由低到高，终止信号。

IIC一次最多可以挂载多少个设备呢？由iic地址决定,8位地址,减去1位广播地址,是7位地址,2^7=128,但是地址0x00不用,那就是127个地址, 所以理论上可以挂127个从器件。但是IIC协议没有规定总线上device最大数目，但是规定了总线电容不能超过400pF。管脚都是有输入电容的，PCB上也会有寄生电容，所以会有一个限制。实际设计中经验值大概是不超过8个器件。过多设备会导致信号传输速度变慢，这牵扯到模电方面的内容，不过多解释。

主设备对从设备可以进行读写，主设备首先会发送7bit位的slave device地址，和1bit位的read或者write命令。

时序图如下write：

read：

语言描述就是：

（1）write命令

如果为write命令，则主设备释放总线（If the I2C-bus is free, both SDA and SCL lines should be both at High level），即SDA为高位；然后从设备拉低SDA，表示ACK主设备；然后主设备再发送8bit数据，从设备再ACK(A)，通信结束(P)。

写寄存器的标准流程：

1. Master发起START

2. Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK

3. Slave发送ACK

4. Master发送reg addr（8bit），等待ACK

5. Slave发送ACK

6. Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK

7. Slave发送ACK

8. 第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器

9. Master发起STOP

（2）read命令

如果为read命令，则从设备先拉低SDA表示ACK主设备，然后再发送8bit数据。主设备拉低SDA表示ACK从设备（我已经读取8bit的数据了），之后结束。

读寄存器的标准流程

1、Master发送I2Caddr（7bit）和 W操作1（1bit），等待ACK

2. Slave发送ACK

3. Master发送reg addr（8bit），等待ACK

4. Slave发送ACK

5. Master发起START

6. Master发送I2C addr（7bit）和 R操作1（1bit），等待ACK

7. Slave发送ACK

8. Slave发送data（8bit），即寄存器里的值

9. Master发送ACK

10. 第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

以上文字来源于以下链接：原文链接：https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/72356722

四、三种通信方式对比图

对比项	UART	SPI	I2C
信号线数目	3根，RX、TX、GND	4根，SDO、SDI、SCLK、SS	2根，SDA、SCLK
设备从属关系	——	存在主从设备。SPI用片选信号选择从机	存在主从设备。IIC用地址选择从机。
通信方式	全双工通信	全双工通信	半双工通信
通信速率	速度慢	比I2C总线要快，速度可达到几Mbps	I2C的速度比SPI慢
应用领域	1、UART常用于控制计算机与串行设备的芯片 2、就是我们经常所说的串口，基本都用于调试。	主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间	I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信，它可以替代标准的并行总线，连接各种集成电路和功能模块。
传输距离			I2C需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻，抗干扰能力较弱，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信
通信特征	异步，一帧可以传5/6/7/8位	同步，SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停。从最高位开始传。	同步，电平信号，一次连续8bit。从最高位开始传
协议复杂度	结构比较复杂	SPI实现要比UART简单，UART需要固定的波特率，就是说两位数据的间隔要相等，而SPI则无所谓，因为它是有时钟的协议。	协议比SPI复杂，但是连线比标准的SPI要少
对比	只能与一个设备相连	在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信,显得简单高效。在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。