【4.0】通信协议，I2C,SPI,CAN,USB,DMA

一、UART

UART：通用异步串行口，速率不快，可全双工，结构上一般由波特率产生器、UART 发送器、UART 接收器组成，硬件上两线，一收一发；

二、I2C

I2C：双向、两线、串行、多主控接口标准。速率不快，半双工，同步接口，具有总线仲裁机制，非常适合器件间近距离经常性数据通信，可实现设备组网；

总线仲裁：线与，谁发0就仲裁成功。

2.1、起始信号和结束信号

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

数据信号：SCL为高电平时，SDA保持稳定，SDA传输数据bit。

2.2、I2C写流程

写寄存器的标准流程为：

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

读寄存器的标准流程为：

1. Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（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

三、SPI

SPI：高速同步串行口，高速，可全双工，收发独立，同步接口，可实现多个 SPI 设备互联，硬件 3~4 线；也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

写操作地址最高位为1，读操作地址最高位为0；

四、USB

USB：通用串行总线，高速，半双工，由主机、hub、设备组成。设备可以与下级 hub 相连构成星型结构。一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+和D-是差分输入线，它使用的是3.3V的电压。数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。

五、CAN

CAN：采用双线传输，两根导线分别作为CAN_H、CAN_L，并在终端配备有120Ω的电阻。收到总线信号时，CAN收发器将信号电平转化为逻辑状态，即CAN_H与CAN_L电平相减后，得到一个插值电平。各种干扰（如点火系统）在两根导线上的作用相同，相减后得到的插值电平可以滤过这些干扰。

总线仲裁：线与，输出显性电平（0）获得总线使用权

5.1 总线电平

CAN总线有两种逻辑电平状态，即显性与隐性。显性电平代表“0”，隐性电平代表“1”。采用非归零码编码，即在两个相同电平之间并不强制插入一个零状态电平。

高速CAN在传输隐性位时，CAN_H与CAN_L上的电平位均为2.5V；在传输显性位时分别为3.5V与1.5V。

低速CAN在传输隐性状态位时，CAN_H上的电平为0V，CAN_L上的电平位5V。在传输显性状态位时，CAN_H上的电平位3.6V，CAN_L的位1.4V。

5.2 数据帧结构

在CAN总线上，报文是以“帧”来发送的，每一帧都包含以下几个部分：

（1）帧起始

在总线空闲时，总线为隐性状态。帧起始由单个显性位构成，标志着报文的开始，并在总线上起着同步作用。

（2）仲裁段

仲裁的主要是定义了报文的标识符，也俗称ID。在CAN2.0A规范中，标识符为11位，而在CAN2.0B中变为了29位。这意味着在2.0B中可以存在更多不同类型的报文，但是也降低了总线的利用率。

（3）控制段

主要定义了数据域字节的长度。通过数据长度码，接收节点可以判断报文数据是否完整。

（4）数据域

包含有0~8个字节数据。

（5）CRC域

CRC又称循环冗余码效验（Cyclical Redundancy Check），是数据通信中常见的查错方法。

（6）ACK域

用于接收节点的反馈应答。

（7）帧结束

由一串7个隐性位组成，表示报文帧的结束。

六、DMA

DMA是指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。这样数据的传送速度就取决于存储器和外设的工作速度。

通常系统总线是由CPU管理的，在ＤＭＡ方式时，就希望CPU把这些总线让出来，即CPU连到这些总线上的线处于第三态(高阻状态)，而由DMA控制器接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束信号。

DMA的数据传送分为预处理、数据传送和后处理3个阶段。

(1)预处理

由CPU完成一些必要的准备工作。首先，CPU执行几条I/O指令，用以测试I/O设备状态，向DMA控制器的有关寄存器置初值，设置传送方向、启动该设备等。然后，CPU继续执行原来的程序，直到I/O设备准备好发送的数据(输入情况)或接受的数据(输出情况)时，I/O设备向DMA控制器发送DMA请求，再由DMA控制器向CPU发送总线请求(统称为DMA请求)，用以传输数据。

(2)数据传送

DMA的数据传输可以以单字节(或字)为基本单位，对于以数据块为单位的传送(如银盘)，DMA占用总线后的数据输入和输出操作都是通过循环来实现。需要特别之处的是，这一循环也是由DMA控制器(而不是通过CPU执行程序)实现的，即数据传送阶段是完全由DMA(硬件)来控制的。

(3)后处理

DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA结束处理，包括检验送入主存的数据是否正确，测试传送过程中是否出错(错误则转入诊断程序)和决定是否继续使用DMA传送其他数据块等