一文给你讲清楚 UART ，IIC ，SPI

基础知识介绍

什么是并行通信和串行通信

串行通信：串行通信是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。
传输方式：传输一个字节（8个位）的数据时，串口是将8个位排好队，逐个地在1条连接线上传输。
特点：通信线路简单，利用电话或电报线就可以实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。
并行通信：并行通信是指利用多条传输线将一个数据的各位同时传送。
传输方式：传输一个字节（8个位）的数据时，并口是将8个位一字排开，分别在8条连接线上同时传输。
特点：传输速度块，适用于短距离通信。

所以到这里，我们就应该晓得，UATR ，IIC ， SPI 都是属于串行通信了

什么是单工，半双工通信 ， 全双工通信

**单工通信：**数据只在一个方向上传输，不能实现双方通信。
**半双工通信：**允许数据在两个方向上传输，但是同一时间数据只能在一个方向上传输，其实际上是切换的单工
**全双工：**允许数据在两个方向上同时传输。

怎么记住这个UATR，IIC，SPI的通信方式能，首先他们不属于单工通信（因为它们都可以进行数据的交互），我们可以通过数据线来区分，IIC只用到了一根数据线，所以它属于半双工通信。UATR和SPI都用到了两根数据线，所以它们属于全双工通信

（/基础概念过完后，我们正式开始介绍这三种通信技术/）

什么是异步通信和同步通信

异步通信：以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔多少是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔是固定的。通俗说是两个uart设备之间通信的时候不需要时钟线，这时候就需要在两个uart设备上指定相同的传输速率，以及空闲位、起始位、校验位、结束位，也就是遵循相同的协议。
同步通信：在同步通信中，收发设备双方会使用一根信号线表示时钟信号，在时钟信号的驱动下双方进行协调下，同步数据。
在同步通讯中，数据信号所传输的内容绝大部分就是有效数据，而异步通讯中会包含有帧的各种标识符，所以同步通讯的效率更高，但是同步通讯双方的时钟允许误差较小，而异步通讯双方的时钟允许误差较大。所以说，串口通信是异步通信（当然有的串口通信，是带时钟线的，这时就属于同步了），SPI和II2是同步通信

UATR

波特率：波特率用于描述UART通信时的通信速度，其单位为bps ，即每秒钟传送的bit的数据
UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)，是一种通用的串行，异步通信总线该总线有两条数据线，可以实现全双工的发送和接受（这里说一句，UART的接受器和发送器都自己的时钟（虽然波特率是一样的，但会有细微的差异。就像表和表之间时间会有差异），这也是UART传输数据的时候，限制了数据位的个数。因为参照时钟的不一致，就会有误差，当累加误差超过一定程度，数据流就会乱掉。IIC 和SPI 就没有限制一次性传输多少位数）

上图所示为UART的数据传输过程
从上图我们可以看出，数据传输的开始，是由一个低电平的起始位所引导（这里有盆友可能会问，如果第一位数据也是低电平，那怎么区分这个是起始位还是数据位，我们观察一下，空闲位和终止位都是高电平，所以当第一个低电平来到时，那就代表着下一波数据传输开始的标志。又有盆友可能会问，如果数据传输的最后一位是高电平，如何区分停止位和数据位，数据位是开始就协商好一次发送多少位，停止位并不是停止数据的传输，主要是保持一个高电平用来检测下一次的起始位。）

IIC

IIC（Inter－Integrated Circuit）总线是双向、两线(SCL、SDA)、同步、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有竞争检测和总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。
在IIC的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。
IIC总线有两根双向的信号线，一根数据线SDA用于收发数据， 一根时钟线SCL用于通信双方时钟的同步；

IIC总线是一种多主机总线，连接在IIC总线上的器件分为主机和从机，主机有权发起和结束一次通信，而从机只能被主机呼叫；当总线上有多个主机同时启用总线时，IIC也具备冲突检测和仲裁的功能来防止错误的产生；每个连接到IIC总线上的器件都有一个唯一的地址（一般是7bit，第一个位，是用来决定发送，还是接受（发送数据，还是接受数据再一开始，初始化的时候就决定了，数据传输时将不能再改变）） ， 且每个器件都可以作为主机或者从机（当然通一时刻只能有一个主机，其他挂载到IIC总线上的器件，感知，有其他器件在作为主机使用，就会保持“沉默”），总线上的器件的增加和删除不影响其他器件正常工作；IIC总线在通信的时总线上发送数据的器件作为发送器，接受数据的器件作为接受器。

总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都
输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
这里提出一个问题：IIC最多能够挂载多少个设备？
:因为器件地址是7位或者10位，理论上可以挂2^7/210个设备，同时连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制

IIC的通信过程

1、主机发送起始信号启用总线(其他挂载到IIC总线上的器件，感知，有其他器件在作为主机使用，就会保持“沉默,不会再发出起始信号)

2、主机发送一个字节数据指明从机地址和后续字节的传送方向（这里主机发送这个信号的时候，挂载在总线上的其他器件是都可接受到，它们提取到其中的地址信号，然后和自己的地址进行比较，如果相同就返回应答信号）

3、被寻址的从机发送应答信号回应主机

4、发送器发送一个字节数据

5、接受器发送应答信号回应发送器

6、循环第四和第五步…

7、通信完成后主机发送停止信号释放总线

IIC的起始信号和停止信号

SCL为高电平时，SDA由高变低表示起始信号
SCL为高电平时， SDA由低变高表示停止信号
起始信号和停止信号都是由主机发出，起始信号产生后总线处于占用状态，停止信号产生后总线处于空闲状态

IIC的字节传送与应答

IIC总线通信时每个字节为8位长度，数据传送时，先传送最高位（UART先传送的是最低位）,发送完一个字节的数据后，接收器必须发送1位应答位来回应发送器，即一帧共有9位

家人们到这里，我们是不是应该提出两个疑问：
1、由于是两个器件之间进行通信，接受器是如何能保证在正确的时间去接受发送器发送的数据？（UART是通过，发送一个起始位）
2、发送数据的过程中是如何判断信号的长短？如11 和 1 都是一段高电平信号（UART通过波特率来区分）

问题一：IC和UART一样通过一个起始信号，来表示数据发送的开始，接受器得到这个起始信号后，就开始准备接受数据了。
问题二：如下图所示 ，IIC总线在进行数据传送时，时钟线SCL为低电平期间发送器向数据线上发送一位数据，在此期间数据线上的信号是允许变化的，时钟线为高电平期间接收器从数据线上读取一位数据，在此期间数据线上的信号不允许发生变化，必须保持稳定，所以说IIC的收发数据，是严格按照时序来的，很容易就可以，区分数据11和1

典型IIC时序

（第三种情况，多用于读取某一个芯片中某一个寄存器的数据，因为需要发送一个字节的地址数据来选定寄存器后，才可以读取数据，所以是主机先写，后读）

IIC时序主要分为三种情况，这里就不解释，我详细经过前文的学习，这三张图理解起来应该是没问题的

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外设接口的缩写 ，SPI是一种高速的， 全双工（发送数据和接受数据可以同时进行） ， 同步的串行通信总线 ；SPI采用主从方式工作，一般有一个主设备和一个或多个从设备 ；SPI需要至少4根线 ，分别是MISO（主设备输入，从设备输出）， MOSI（主设备输出从设备输入） ， SCLK（时钟线） ， CS（片选线）

SPI总线在进行数据传输时，先传送高位，后传送低位（和UART一样） ，一个字节传送完成后无需应答即可开始下一个字节的传送 ；SPI总线采用同步方式工作，时钟线在在上升沿或下降沿时发送器发送器向数据线上发送数据，在紧接着的下降沿或者上升沿时接收器从数据线上读取数据，完成一位数据的传送，八个时钟周期即可以完成一个字节数据的传送（IIC是在低电平时发送数据，高电平时接受数据，区别自己细品）
==SPI没有起始，停止信号， 也没有应答 ==

(/MSB指的是最高位 ，LSB指的是最低位/)

SPI的极性和相位

SPI总线有四种不同的工作模式，取决于极性和相位
**CPOL表示SCLK空闲时的状态
CPOL = 0 ， 空闲时SCLK为低电平
CPOL = 1， 空闲时SCLK为高电平
CPHA表示采样时刻（这里决定的是，上升沿还是下降沿进行数据的 收发）
CPHA = 0， 每个周期的第一个时钟沿采样
CPHA = 1 ， 每个周期的第二个时钟沿采样 **

总结IIC和SPI的异同

相同点
1、均采用串行，同步的方式
2、均采用TTL电平 ，传输距离的应用场景类似
3、均采用主从方式工作
不同点
1、IIC为半双工 ， SPI为全双工
2、IIC有应答机制， SPI无应答机制
3、IIC通过向总线广播从机地址来寻址（费时），SPI通过向对应从机发送使能信号来选定从机（费硬件资源）
4、IIC的时钟极性和时钟相位固定，SPI的时钟极性和时钟相位可调