面试中比较常问的通信协议总结

本文仅代表我个人观点，算是个人总结吧，相信也会随着学习的不断深入对本文不断改进。

1、UART

1、同步和异步

首先还是看下两个概念的区别吧，比如打开cube的

他们的全称为：

• UART 通用异步收发传输器
• USART 通用同步/异步收/发器

可以看到USART是可以有同步功能的，这里的同步就是增加了时钟线，在stm32的cube的配置中就体现为这个智能卡了，这个同步通信功能可以把USART当做SPI来用，比如用USART来驱动SPI设备。

下面是UART的配置，相比而言就是没有智能卡的部分，不过我们一般都是把串口当作异步串口来使用，所以这里不用特别在意

异步同步

• 异步：发送方要等接收方发回响应才会继续通信，就是一种阻塞的通信方式
• 同步：不用关接收方是否有反应，是一种非阻塞的通信方式

这样来看，IIC和SPI是同步通信（是由时钟来决定的，不停发送和连续接收的同步比特流），UART是异步通信的，不过虽然UART不需要回应，但是他在任意时刻都可以发送字符，所以他需要起始位和终止位，这样才能告诉别人什么时候开始，什么时候结束，便于接收方正确接收数据。

2、硬件层

这里一般是采用RS232的标准，RS232是比较老的标准了，它规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准，常用的接口一般是DB9接口，RS232和现在用的串口区别就在于一个电平标准，下面是野火stm32教程中的示意图。

他们的电平标准如下所示：

标准DB9的接口如下所示（注意看他这里的RX和TX的对调），现在一般只使用 RXD、 TXD 以及 GND 三条信号线，直接传输数据信号。

3、协议层

前面已经说过是协议传输的方式，需要有开始停止，传输的数据包一般为：

起始位-主体数据-校验停止数据

下面是一些重要的参数说明：

• 波特率：因为没有时钟信号，因此要想正确的接收到数据，就需要约定好通信的波特率，可以理解为通信速率，波特率的含义为每秒的bit数，例如115200就是每秒传输115200个bit的数据。
• 起始和停止信号：每个数据包从起始信号开始（逻辑0）开始到停止信号结束（逻辑1的0.5,1,1.5倍来表示）
• 有效数据：8位或者9位，传输的数据是9位，但是第9位是否有效需要决定下
• 数据校验：这个也是可选内容，是为了防止外部干扰造成的误差进行的，具体的包括奇校验（odd），偶校验（even），0校验（space），1校验（mark）还有无校验（no parity）这几种方式

我们需要读取串口的数据的话需要读取数据寄存器，在stm32中为DR寄存器，这是个16位的寄存器，一般是低9位有效（就是前面提到的有效数据长度一般是8位或者9位，这里是否有效由控制寄存器CR1的M位来决定，为0时8位，为1时是9位）

同样的DR寄存器既然是数据寄存器，数据存在发送和接收两种情况，因此也有两个部分，分别是：

• TDR：专用发送
• RDR：专用接收

在实际的发送过程中，先把TDR的内容发送到移位寄存器，然后移位寄存器再一位位的发送数据。

然后在补充说明下前面提到的CR1寄存器，CR1寄存器是控制寄存器，控制的内容包括

• 数据长度
• 是否DMA
• 发送器，接收器
• 唤醒单元，中断控制（使用串口前需要向CR1寄存器TE为写1来使能UART）

发送的过程中，是低位在前，高位在后，具体发送过程为：先发送一个空闲帧（这里为一个数据帧长度的高电平），接下来开始向DR寄存器写入要发送的数据，写入最后一个数据后，等待UART状态寄存器的TC位置1，表示传输完成，如果这个过程CR1的TCIE置1，就会产生中断，下面补充几个非常重要的标志位：

• TE：发送
• TXE：发送寄存器为空
• TC：发送完成
• TXIE：发送完成中断使能

如果是接收器的话，大体和上述部分类似，就是一些名字换了而已。

2、IIC

下面来说下IIC协议，其实这方面我之前已经写过文章记录了，不过那个是偏应用的，这里本篇文章就算是偏理论吧！

1、特点

iic有两根线，SDA为数据输入输出线，SCL为时钟信号线，因为这里有时钟来同步信号，所以IIC是同步通信。

iic的一大特点在于他是多主多从的一种总线通信方式，一个iic总线上可以由多个主机，同样的也可以有多个从机，这是其他很多总线都不会有的，同时iic对数据要求很高，因为他每发送一个数据就要一个应答（要结束的时候发送非应答NACK）。

2、硬件层

硬件层上总线是的布局，但就是注意下接个上拉电阻，因为要保证空闲状态是上拉的状态。

3、协议层

协议层如下所示，下面写数据（每个data都要跟一个应答，最后是非应答）

下面是读数据（每个data都要跟一个应答，最后是非应答）

整体的话大概就是如下：（每个data都要跟一个应答，最后是非应答）

起始信号和应答信号（SCL为高，SDA下降沿为起始，SCL为高，SDA上升沿为结束）

应答信号

那么数据应该是怎么读取的呢，很简单就是一句话：SDA在SCL的每个时钟周期进行数据传输，每个时钟周期传输一位数据

时钟周期这里可以近似理解为方波，就是不断地上下变化的，这样才是一个周期嘛，然后不是整个时钟周期都在读取数据的，这里要注意就是只在SCL为高电平的时候读取数据，也可以理解为SCL为高电平时候，数据有效，这个时候读取SDA的电平状态，SDA为高电平就是1，反之就是0，而SDA为低电平的时候，这个时候SDA就可以进行电平转换了，比如这个时候转换了一下那么读取的就是10，如果没转换，就是11，这样一共进行八次，就完成一个字节的数据传输了！

3、SPI

下面来进行SPI的总结，这个我也有相关文章介绍，可以查看我之前的文章，还是一样的，比较偏应用，这里对理论进行解读

1、特点

SPI的特点是高速，全双工，同步通信，SPI和iic不一样，同一条总线上，最多只能有一个SPI主机，可以有多个从设备，但是绝对不能有多个主机，SPI的读写均由主设备发起，多从机的时候，主机对从机的选择由各个从机的片选信号来决定。

2、硬件层

硬件层上总线是的布局，这里注意下片选信号即可

3、协议层

下面有一张图描绘了SPI的通信协议，挺难看的。

说实话SPI一个挺容易的协议的，被这么一弄，整的挺复杂的，下面我手绘了一张图，相信能更容易看懂SPI协议

看通信不还是看数据，看时钟吗，这里和IIC一样的有时钟线，但是多了一个数据线，对啊，要不人家怎么是全双工总线呢，同步传输啊，那数据传输不还是在时钟周期上来捕获数据线上的数据吗，那就完事了。

SPI还有一点就是他多了两个东西，让这个过程变得复杂了一点点，真的就是复杂了一点点，这两个就是时钟相位还有极性

因为这两个东西，SPI可以有四种工作模式，下面对这两个东西（CPOL为时钟极性，CPHA为是时钟相位）的作用进行介绍：

• CPOL=0：SCLK=1时数据有效
• CPOL=1：SCLK=0时数据有效
• CPHA=0：数据采样在第一边沿
• CPHA=1：数据采样在第二边沿，发送在第一边沿

这里的有效啥意思呢:

• 第一边沿上升沿，第二边沿下降沿为SCLK=1有效
• 第一边沿下降沿，第二边沿上升沿为SCLK=0有效