串行通信方式

常用串行通信方式

串行通信是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送，特点是相对并行通信线路简单，利用简单的线缆就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信。常用的串行通信接口：IIC，UART，SPI，PCIE，SGMII等。
以下简单介绍一下这些串行通信接口。

UART

uart全称是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），在以前调试单片机时通常称其为串口，是一种异步全双工的串行通信方式。uart在实际电路中一般结合RS232或者RS485接口头使用。串口也是我们平时工作中接触最多的一种通信接口。

接口信号线

uart有两根数据线：RX和TX，分别用于接收数据和发送数据。接口图如下：

工作原理

uart作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每一个字符按照ASCII码一位一位地传输，将数据按照低位在前、高位在后依次发送。uart的每一帧数据组成依次为：起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。起始位是1位，停止位可以是1、1.5或者2位，数据位可以是4至8位，奇偶校验位是1位，奇偶校验位可以选择没有。

发送过程：空闲状态时，TX线路处于高电平；当收到发送指令后，拉低线路一个数据位的时间（即起始位的低电平），接着数据按低位到高位依次发送，数据发送完毕后，接着发送奇偶校验位和停止位，一帧数据发送完成。

接收过程：空闲状态时，RX线路处于高电平；当检测到线路的下降沿时，表明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位依次接收数据，数据接收完毕后，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知后续设备接收数据或存入缓冲。标准的10位异步串行通信协议（1个起始位、1个停止位和8个数据位）收发时序图如下：

IIC

IIC又称I2C，是一种双向二线制同步串行总线，只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送数据，属于同步半双工串行通信方式。在一些E2PROM等存储芯片和实时时钟芯片中应用较多。

接口信号线

IIC的接口信号线有两根：数据线SDA、时钟线SCL。数据线SDA是双向的。SDA和SCL在实际使用时都需要通过上拉电阻接到VCC，实际电路中常见接口原理图如下：

IIC是一种多向控制总线，多个设备器件可以连接到同一总线结构下，同时每个器件都可以作为实时数据传输的控制源。为了保证数据可靠地传送，任一时刻总线只能由某一个主机控制，各器件应该在总线空闲时发送启动数据，为了妥善解决多个器件同时发送启动数据的传送（总线控制权）冲突，IIC中有总线仲裁机制，决定哪个器件此时刻拥有总线控制权。为避免多个从器件的冲突。每个器件都有一个唯一的地址号，便于主机寻访，决定与哪个器件之间通信。

工作原理

IIC的工作原理也是将要传送的数据的每一个字符一位一位地传输。主器件发送开始信号，然后传输数据，从器件发送应答信号给主器件，数据发送完成主器件发送停止信号。
主要时序有：开始信号、停止信号、从器件应答信号、传输数据信号。

开始信号：在空闲状态时SDA和SCL都是高电平，主器件让SCL时钟保持高电平，然后让SDA数据信号由高变低就表示一个开始信号。

停止信号：主器件让SCL时钟保持高电平，然后让SDA数据信号由低变高就表示一个停止信号。

开始和停止信号时序如下图所示：

应答信号：接收数据的从器件在接收到8bit数据后，向主器件发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

传输数据信号：SDA上的数据只能在SCL为低电平期间翻转变化，在SCL为高电平期间必须保持稳定，IIC设备器件只在SCL为高电平期间采集SDA数据。

应答和传输数据时序图如下：

所有数据发送完成则释放总线控制权，SDA和SCL都恢复成高电平。

SPI

SPI全称串行外设接口(Serial Peripheral Interface)，是一种同步全双工串行外设总线接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信。SPI总线可与多种标准外围器件相连，例如FLASH、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。

接口信号线

SPI有4条信号线：串行时钟线SCLK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI、片选线CS。实际电路的原理图如下：

其中CS有时写为ss低电平有效，是控制从器件是否被选中的，只有片选信号为预先规定的使能信号时，从器件的操作才有效，这就使得一个MCU可以通过控制CS线在同一总线上连接多个SPI设备，与多个从设备通信。

工作原理

SPI是串行通信总线，数据也是一位一位地传输的，先传输高位，要传输的数据预先放在寄存器buff中。由SCLK提供时钟脉冲，MOSI和MISO则基于此时钟完成数据传输。对于主机来说，在SCLK上升沿(也可以设置成下降沿模式)时通过MOSI线输出移位寄存器buff中的最高位，整个buff相当于左移一位，最低位不确定；在紧接着的下降沿读取MISO线的电平，作为buff最低位的数值。这样每个时钟周期相当于buff都左移一位，与从机的buff交换了1bit数据。在经历8个时钟周期后，主机中的数据寄存器buff和从机中的buff完成了一个字节数据的交换。同理，从机也通过这种方式发送数据给主机，形成全双工通信。传输时序图如下：

PCIE

PCIE即PCI-Express(peripheral component interconnect express)，是一种高速串行计算机扩展总线。在数据传输的模式上，采用LVDS串行传输方式，一条PCIE通道由2对LVDS差分信号线来实现发送和接收。是一种高速全双工串行通信方式。

命名含义

PCIE1.0和PCIE2.0采用了8b/10b的编码方式，即每个字节8bit都用10bit来传输；PCIE3.0和PCIE4.0采用了128b/130b的编码方式；其中1.0代表时钟频率是2.5GHz，2.0代表时钟频率5GHz，3.0代表8GHz，4.0代表16GHz。PCIEx4表示这个PCIE接口有4组差分信号线（每组包括一对发送和一对接收），后面的数字代表着差分信号线的组数，即每个时钟周期能发送接收数据的bit数。

接口信号线

常使用的是PCIEx1接口，PCIEx1的数据线是4根即2对差分线：一对发送差分信号线TX+与TX-，一对接收差分信号线RX+与RX-；以及一些其它的辅助信号线。PCIE接口原理图如下：

PCIE引入了嵌入式时钟的技术，即发送端不再向接收端发送时钟，但是接收端可以通过8b/10b的编码从数据通路中恢复出时钟，所以传输数据接口中没有CLK时钟线。

SGMII

SGMII是在MII（媒体独立接口）基础上发展过来的，称为串行吉比特媒体独立接口，是一种高速的全双工串行通信总线接口。
SGMII跟PCIEx1接口很相似，也是采用2对差分信号线来实现数据的发送和接收，即一组接口信号线为RX+/RX-，TX+/TX-这2对，且不需要同步的时钟线CLK。SGMII也是采用8b/10b的编码方式，速率为1.25GHz。
SGMII在以太网传输中用来作为连接PHY与MAC之间的接口，接口原理图如下：

SGMII和PICE其实都是一种SERDES通信技术。SERDES全称串行器解串器，在发送端利用串行器将并行数据转化为串行数据发送出去，在接收端利用解串器将串行数据在转化成并行数据，在串行传输数据时采用差分信号传输，相对传统的同步并行传输来说，可以大大提高传输频率，且节省了线路数目，减少了高频干扰。