单⽚机常⽤的⼏种通信协议

通信协议

通过查看电子信号在传说过程中的动态图，可以更好的帮助我们更直观，更形象的理解传输的机理：https://mp.weixin.qq.com/s/1cesD9cwwef7cfFamm9ang

通信分为串行通信和并行通信，串行通信比并行通信传输速度慢，但占用的引脚资源多，数据是按位顺序传输。因此并行通信适合近距离（数米内）的高效通信（成本），而远距离一般用串行。

按照数据传送方向，分为：
单工： 数据传输只支持数据在一个方向上传输
半双工： 允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信：
全双工： 允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。

并行通信的通信方式：常见用在显示屏和显示芯片之间的通信，以及cpu和内存见的通信

串行通信的通信方式：分同步通信和异步通信
同步通信：带时钟同步信号传输，随着同步时钟进行传输数据，保证传输的稳定性和准确性。如：SPI，IIC通信接口
异步通信：不带时钟同步信号，虽然没有同步时钟，但是通信双方必须有约定，比如传输的波特率要相同。如UART（通用异步收发器），单总线。

1、UART和USART

分别名为通⽤异步收发器和通⽤同步异步收发器，速率不快，可全双⼯，结构上⼀般由波特率产⽣器、UART/USART发送器、UART/USART接收器组成，硬件上两线，⼀收⼀发。

学习超链接：
（1）UART协议快速扫盲（图文并茂+超详细）_GREYWALL-CSDN博客：https://blog.csdn.net/u010632165/article/details/109084542

（2）UART串口协议详解 - 知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/150504364

（3）基于STM32之UART串口通信协议（一）详解 - LLLIN000 - 博客园：https://www.cnblogs.com/ChurF-Lin/p/10793111.html

2、I2C（IIC）

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。
I2C为串行通信总线的一种协议，I2C总线上的所有设备都支持主从关系，支持多个主设备在线，且支持仲裁和冲突检测。
I2C支持最大的从机数理论上是127个，每个设备都只有一个唯一的地址。（7位寻址、112个非保留地址；10位寻址1008个非保留地址）
I2C只需SCL（时钟信号）和SDA（数据信号）两条线。因两条线都是开漏输出，所以需要上拉电阻。一般情况下100Kbps用10K上拉，400Kbps用2K上拉。I2C还有高速模式的3.4Mbps和超快速的5Mbps。
第一位是开始信号，主设备发送此信号时所有从机唤醒准备接受地址。

（1）概述

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成电路总线，该总线由NXP（原PHILIPS）公司设计，多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。
经常IIC和SPI接口被认为指定是一种硬件设备，但其实这样的说法是不尽准确的，严格的说他们都是人们所定义的软硬结合体，分为物理层（四线结构）和协议层（主机，从机，时钟极性，时钟相位）。
IIC，SPI的区别不仅在与物理层，IIC比SPI有着一套更为复杂的协议层定义。下面来分别说明一下IIC的物理层和协议层。

（2） IIC的物理层

a.只要求两条总线线路，一条是串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL。（IIC是半双工，而不是全双工）。
b. 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和其它器件通信，主机/从机角色和地址可配置，主机可以作为主机发送器和主机接收器。
c.IIC是真正的多主机总线，（而这个SPI在每次通信前都需要把主机定死，而IIC可以在通讯过程中，改变主机），如果两个或更多的主机同时请求总线，可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏。
d. 传输速率在标准模式下可以达到100kb/s,快速模式下可以达到400kb/s。
e. 连接到总线的IC数量只是受到总线的最大负载电容400pf限制。

（3）I2C总线特征总结

I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址(可以从I2C器件的数据手册得知)，主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信，在通常的应用中，我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备，把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地位的限制。I2C总线数据传输速率在标准模式下可达 100kbit/s，快速模式下可达 400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过 I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整。I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传。

学习超链接：
（1）对不起！我还是坚持把I2C肝完了_GREYWALL-CSDN博客：https://blog.csdn.net/u010632165/article/details/116024653

（2）一文看懂I2C协议 - 知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/362287272

3、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的设备公共有的，他们是SDI（数据输⼊），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（⽚选）。

1. 通常SPI通信要求4根线，分别是MOSI(mast output salve input), MISO, CLK, CS。
2. 当发送和接受数据的工作都准备好了，只要有时钟CLK,就发送数据，没有时钟就不发送，而且一个时钟周期发送一位(bit)数据，所以发送数据的快慢由时钟频率来控制。
3. 至于时钟和数据的相位没有特别严格的要求（而IIC中，数据的变化只能在SCL是低电平的时候发生），SPI数据的变化是一个时钟周期一次，这样的方法来传输数据就简单多了。我们可以根据需求对时钟的极性和相位做调整，看看是在时钟上升沿还是下降沿来发送数据，还有停止发送时时钟的极性，是保持高电平还是低电平。
4. 另外在多机通信时，SPI只是简单的通过一个片选信号来选择哪个设备占用总线，但是IIC是通过发送从设备地址来自动选择的。
   

学习超链接：
（1）SPI协议详解（图文并茂+超详细）_GREYWALL-CSDN博客：https://blog.csdn.net/u010632165/article/details/109460814

4、USB

⾼速同步串⾏⼝，⾼速，可全双⼯，由主机、hub、设备组成。设备可以与下级的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+、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。

学习超链接：
（1）图解USB标准之架构概览_GREYWALL-CSDN博客：https://blog.csdn.net/u010632165/article/details/121005939

5、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。各种⼲扰在两根导线上的作⽤相同，相减后的插值电平可以滤过这些⼲扰。

学习超链接：
（1）CAN详解（小白教程）_xwwwj的博客-CSDN博客：https://blog.csdn.net/xwwwj/article/details/105372234

（2）CAN总线简易入门教程_GREYWALL-CSDN博客：https://blog.csdn.net/u010632165/article/details/121661555

6、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⼯作速度。

学习超链接：
（1）DMA原理，步骤超细详解，一文看懂DMA_Z小旋-CSDN博客：https://blog.csdn.net/as480133937/article/details/104927922

常见问题

常见差分平衡电平

RS422、RS485（232不是）、RJ47、CAN、USB、LVDS

什么是TTL电平、CMOS电平？

TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑"1"，0V等价于逻辑"0"，这被称做TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。
CMOS电平和TTL电平：CMOS电平电压范围在3～15V，比如：当5V供电时，输出在4.6以上为高电平，输出在0.05V以下为低电平。输入在3.5V以上为高电平，输入在1.5V以下为低电平。而对于TTL芯片，供电范围在0～5V，常见都是5V，如74系列5V供电，输出在2.7V以上为高电平，输出在0.5V以下为低电平，输入在2V以上为高电平，在0.8V以下为低电平。因此，CMOS电路与TTL电路就有一个电平转换的问题，使两者电平域值能匹配。
TTL高电平3.6~ 5V，低电平0V ~2.4V
CMOS电平Vcc可达到12V

RS232/485的理解

1）RS-232标准

RS-232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号。RS-232是对电气特性以及物理特性的规定，只作用于数据的传输通路上，它并不内含对数据的处理方式。需要说明一下,很多人经常把RS-232、RS-422、RS-485 误称为通讯协议,这是很不应该的，其实它们仅是关于UART通讯的一个机械和电气接口标准（顶多是网络协议中的物理层面）。
该标准规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC 机将RS-232 简化成了DB-9 连接器，从而成为今天的事实标准。而工业控制的RS-232 口一般只使用RXD（2）、TXD（3）、GND（5） 三条线。

2）RS-485/ RS-422标准

RS-232接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。于是，为了解决这个问题，一个新的标准RS-485产生了。RS-485的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。
通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。
RS-422 的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于：RS-422 有4 根信号线：两根发送、两根接收。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工），也正因为全双工要求收发要有单独的信道，所以RS-422适用于两个站之间通信，星型网、环网，不可用于总线网；RS-485 只有2 根信号线，所以只能工作在半双工模式，常用于总线网。
其实RS232/485只是上面提到的UART数据帧的传输方式、途径。直白点就是怎么将数据帧中的0和1bit通过物理的接线传输出去。这就涉及到一个问题，在不同的线路上如何表示0和1呢？当然，我们都知道他们肯定是通过电平信号表示的0和1，所以他们的差异就只是表示0和1的电平或者叫电压是多少不同，判定多少伏表示0和1的方式的区别。线路上传输的数据是一样的，只是表现形式略有差异。

对比

RS232/RS485，是两种不同的电气协议，也就是说，是对电气特性以及物理特性的规定，作用于数据的传输通路上，它并不内含对数据的处理方式。比如，最显著的特征是：RS232使用3－15v有效电平，而UART，因为对电气特性并没有规定，所以直接使用CPU使用的电平，就是所谓的TTL电平（可能在0~3.3V之间）。更具体的，电气的特性也决定了线路的连接方式，比如RS232，规定用电平表示数据，因此线路就是单线路的，用两根线才能达到全双工的目的；而RS485， 使用差分电平表示数据，因此，必须用两根线才能达到传输数据的基本要求，要实现全双工，必需用4根线，因为485是差分电平，所以抑制共模干扰能力更强，传输距离可达几千米。但是，无论使用RS232还是RS485，它们与UART是相对独立的，但是由于电气特性的差别，必须要有专用的器件和UART接驳，才能完成数据在线路和UART之间的正常流动。从某种意义上来说，线路上存在的仅仅是电流，RS232/RS485规定了这些电流在什么样的线路上流动和流动的样式；在UART那里，电流才被解释和组装成数据，并变成CPU可直接读写的形式。
所以RS232/485就是代表一种电平标准，只是同TTL不同的一种电平。
RS232串口可以与485之间互转，在单片机上使用485总线与使用RS232串口一样，需要使用芯片转换电平即可！