UART，I2C通信协议分析

一 、UART

UART：通用异步收发器，用它来传输串行数据。最精简3根线连接，全双工传输数据。如图1，TxD用于发送数据，RxD用于接收数据，Gnd给双方提供参考电平。

                            

                                                                       图1  UART连线图

数据线上以bit为最小单位传输数据。一帧数据由不可分割的若干位组成，包含起始位、数据位、校验位(不是必须)、停止位。

发送数据前双方需要约定好数据的传输速率，即发送一位数据所需的时间(波特率的倒数)，还要约定好数据发送的格式，起始位，多少个数据位、是否有校验位、奇校验还是偶校验、多少个停止位。

奇校验和偶校验：

校验依据：判断传输的一组二进制数据中"1"的个数是奇数还是偶数(包含判断位)

奇校验：如果以二进制数据中1的个数(包含判断位)是奇数为依据，则是奇校验，若数据位中1的个数为奇数，则校验位是0

偶校验：如果以二进制数据中1的个数(包含判断位)是偶数为依据，则是偶校验，若数据位中1的个数为偶数，则校验位是0

如：发送一组8位二进制数，假定第一位为奇偶校验位，后七位为数据位,采用奇校验，则：

1>当发送数据是b'0000111时，发送数据中的1有3个，为奇数，此时校验位则为0，实际发出去的数据就是b'000000111；

2>当发送数据是b'000110时，发送数据中的1有2个，为偶数，此时校验位则为1，实际发出去的数据就是b'10000110；

下面以发送7个位数据(A = 0b1000001)、奇校验、2个停止位。为例说一下数据传输流程：

                                    

1.空闲时，数据线处于“空闲”状态，为高电平

2.开始位，要发送数据时，先发送低电平并保持一个位的时间T(T双方事先约定好，即设置波特率，PC端可通过界面手动设置，s3c2440需配置相关寄存器)，表示要开始发送数据了。

3.一位一位发送数据，首先发送最低位，接收端在收到开始信号后，经过0.5T开始读取数据。

4.接收校验位，7个数据位中有2个1，故奇校验位为0。

5.最后有两个停止位，数据线恢复到空闲状态高电平，并保持2个T的时间表示停止位。

最后，在编写代码时，需要根据具体的芯片手册来配置串口控制器的相关寄存器。

二、I2C

        I2C总线又称IIC，是飞利浦公司开发的串行总线，用于连接微控制器及其外围I2C设备,主要特点如下：

只有两条总线线路：一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL；

串行8位双向数据传输，位速率标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下400Kbit/s，高速模式下3.4Mbit/s；

可连多个从机，也是真正的多主机总线，两个或多个主机同时发起数据传输时，可以通过冲突检测和仲裁来防止数据被破坏  。

                                            

        相关术语介绍：

 I2C的信号类型：总线空闲状态、开始信号、结束信号、响应信号

总线空闲状态 ：I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

开始信号 ：在时钟线SCL保持高电平期间(空闲状态)，数据线SDA上的电平由高电平向低电平跳变（即负跳变），它标志着一次数据传输的开始。开始信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。开始信号是由主机主动建立的，在建立该信号之前I2C总线必须处于空闲状态。

结束信号 ：在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA被释放，使得SDA返回高电平（即正跳变），称为I2C总线的停止信号，它标志着一次数据传输的终止。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号，结束信号也是由主机主动建立的，建立该信号之后，I2C总线将返回空闲状态。停止信号一般是在接收器反馈一个应答信号后发出。

                                       

响应信号 ：I2C总线上的所有数据都是以8位字节传送的，按位传输，发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线SDA，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。 接收到NACK时，主机要么产生产生STOP信号来放弃本次传输，或者重复START条件来发起一个新的传输。

        对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在第9个脉冲的高电平期间为稳定的低电平。 如果接收器是主机，则在它收到最后一个字节后，需要终止本次数据传输时，则会发送一个NACK信号给从机，以通知从机发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主机发送一个停止信号P。

以下几种情况会产生NACK，而不是产生ACK：

1.主机选中的地址在总线上没有对应的从机；

2.从机不能响应主机，例如从即在执行其他事情而无法响应I2C操作；

3.从机接收器不能接收更多数据时；

4。主机作为接收器，收到当前8位数据后本次数据传输就要救赎时，主机会发送一个NACK信号给从机，以通知从机发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主机发送一个停止信号P。

SDA上的数据传输：在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据，从高位开始传输。进行数据传送时，在SCL呈现高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，低电平为数据0，高电平为数据1。只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。逻辑0的电平为低电压，而逻辑1的电平取决于器件本身的正电源电压VDD（当使用独立电源时）。

传输有用的数据位时(数据有效性规定)，SDA上传输的数据必须在SCL为高电平期间保持稳定(接收器在SCL高电平期间读取数据)，SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化。这个有区别于之前说的开始信号和停止信号，开始信号和停止信号都是在SCL为高电平期间有一个信号跳变。它们是信号跳变，不遵守这个数据有效性规定。

插入等待时间  

　　如果从机需要延迟下一个数据字节开始传送的时间，则可以通过把时钟线SCL电平拉低并且保持，使主控器进入等待状态。一旦被控器释放时钟线，数据传输就得以继续下去，这样就使得从机得到足够时间转移已经收到的数据字节，或者准备好即将发送的数据字节。带有CPU的从机在对收到的地址字节做出应答之后，需要一定的时间去执行中断服务子程序，来分析或比较地址码，其间就把SCL线钳位在低电平上，直到处理妥当后才释放SCL线，进而使主机继续后续数据字节的发送。

完整数据传输：

I2C上几种总线数据传输格式：

  

I2C只是负责传输数据，具体的数据代表什么含义还是要去查看相应的I2C设备芯片手册，以s3c2440与AT24cxx存储芯片通信为例：

下图为随机读流程分析：

1.START信号后是7位设备地址，然后一个读写位是写(0)，表示s3c2440要向AT24cxx写数据，一个ACK回应表示总线上有AT24cxx这个I2C设备

2.接着的是发送一个7位地址WORD ADDRESS，即s3c2440向AT24cxx写入的数据，表示数据要从AT24cxx的WORD ADDRESS地址读取，ACK表示写成功。

3.(前面两步目的是明确从哪个设备的哪一个地址开始读取数据)接着又是一个START信号+设备地址+READ位，表示s3c2440要向AT24cxx读数据了，ACK表示该设备已就绪，接下来是连续8个数据，即读取到的数据，读取数据完毕后停止本次传输，一个NACK+STOP。

下图为按字节写流程分析：

1.START信号+7位地址+写，表示向该I2C设备写入数据，ACK表示该I2C设备就绪。

2.接着写7个地址位(WORD ADDRESS)给AT24cxx，ACK表示写成功

3.8个数据位，即向地址(WRODADDRESS)写入DATA(8个数据位)，ACK表示本次按字节写成功。随后停止结束本次传输。

参考：https://blog.csdn.net/ce123_zhouwei/article/details/6882221

参考：《嵌入式Linux应用开发完全手册》