UART、SPI和I2C

在做单片机开发时UART、SPI和I2C都是我们最经常使用到的硬件接口。

参考博客：https://blog.51cto.com/13695010/2096153、https://www.jianshu.com/p/df2ed057b4a0

一、UART

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信，通过起始位和停止位及波特率进行数据识别。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用于主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

接口

在单片机中UART可以说是一种最基本的配置，很多与电脑进行通信的设备都采用到它，按计算机最常规的说法就是串行通信。

• TX - 数据发送接口
• RX - 数据接受接口

两个设备间将TX与RX相连，RX与TX相连即可正常工作。最常用到的就是我们电脑上的USB那就是个最典型的UART接口。

优缺点

优点

1. 只使用两条信号线；
2. 不需要时钟信号；
3. 有校验位进行错误检测；

缺点

1. 传输速率比较低。

二、SPI

SPI接口的全称是"Serial Peripheral Interface"，意为串行外围接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在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。

接口

SPI接口经常被称为4线串行总线，以主/从方式工作，数据传输过程由主机初始化。如图1所示，其使用的4条信号线分别为：

•  SCLK：串行时钟，用来同步数据传输，由主机输出；
•  MOSI：主机输出从机输入数据线，通常先传输MSB；
•  MISO：主机输入从机输出数据线，通常先传输LSB；
•  CS：片选线，低电平有效，由主机输出。

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。

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。

工作模式

• CPOL位表示初始时钟极性：

      CPOL = 0表示时钟初始为低电平，所以开始的第一（leading）边缘是上升沿，第二边缘（trailing）是下降沿。 
      CPOL = 1时的时钟启动为高电平，所以第一（leading）的边缘是下降沿。

• CPHA的指示用于采样数据的时钟相位（注意是采样数据，采样是指的将数据线上的数据所存起来）

      CPHA = 0时表示边沿超前
      CPHA = 1表示边沿滞后

1. 模式0：CPOL = 0 CPHA = 0 主机从机的数据均是在下降沿改变，上升沿锁存
2. 模式1：CPOL = 0 CPHA = 1 主机从机的数据均是在上升沿改变，下降沿锁存
3. 模式2：CPOL = 1 CPHA = 0 主机从机的数据均是在上升沿改变，下降沿锁存
4. 模式3：CPOL = 0 CPHA = 1 主机从机的数据均是在下降沿改变，上升沿锁存

优缺点

SPI接口具有如下优点：

1. 支持全双工操作；
2. 操作简单；
3. 数据传输速率较高。

同时，它也具有如下缺点：

1. 需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；
2. 只支持单个主机。

三、I2C

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。
主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件．然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下．主机负责产生定时时钟和终止数据传送。

接口

• SCL - 串行时钟线
• SDA - 串行数据线接口

I2C接口包括时钟线（SCL）和数据线（SDA）。这两条线都是漏极开路或者集电极开路结构，使用时需要外加上拉电阻，可以挂载多个设备。每个设备都有自己的地址，主机通过不同地址来选中不同的设备。

优缺点

优点

1. 只使用两条信号线；
2. 支持多主机多从机；
3. 有应答机制。

缺点

1. 速率比SPI慢。