简谈对stm32基本外设UART、I2C、SPI、CAN总线的理解

最近找实习的时候，看到好多任职岗位都对CAN总线、SPI、I2C都有要求，之前也有道友问过这些问题，我也不是太理解。虽然在校也学习了相关的知识，但了解的只是很浅显的一部分，通过在家的这段时间，查缺补漏。一天进步一点点，这便已经足够了,先从UART开始吧!
参考以下资料：
https://blog.csdn.net/weiqifa0/article/details/82765892
https://blog.csdn.net/LIJJ1993/article/details/82118483
http://www.elecfans.com/d/694463

首先讲一下同步通信和异步通信的区别：
同步通信需要相同频率的时钟，逐字符发送接收，发一个，收一个，不能有间隙。
异步通信可以任意间隙，接收端任意时刻发送，需要加停止位和开始位。
UART
UART（通用异步收发传输器）是一种通用串行数据总线，是一种异步全双工串行通信协议，有TX(发送)和RX(接收)两根数据线组成，不需要时钟，由起始位、停止位及波特率进行标识，一般硬件上有波特率发生器、串口发送器、串口接收器组成。有检错机制：奇偶校验位。优点：不需要时钟，传输距离远，有检错机制，缺点：需要波特率的支持，速度慢等
I2C（读作I方C）总线协议（半双工）
I2C属于同步串行总线，同步通信是双方有一个共同的时钟，当发送时，接收方同时准备接收。在总线通信上，同步异步主要看有没有时钟线控制数据传输。
IIC总线一共有两条线，一条数据线SDA,一条时钟线SCL。
起始信号(S)：SCL为高电平时，SDA从高电平变为低电平，开始传输数据。
结束信号§:SCL为高电平时，SDA从低电平变为高电平，结束传输数据。
如下图：

数据传输过程中：在SCL时钟的高电平周期内，SDA线上的数据必须保持稳定，数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变 。
如下图：
SPI总线协议（全双工）
SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外围设备接口的缩写，是一种高速、全双工、同步的串行通信总线，并且在芯片管脚上只占用了四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局节省了空间。正因为这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
SPI接口主要应用在EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)、FLASH(闪存)、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器、数字信号解码器之间。
SPI主从模式硬件连接如下图

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，三根线也可以（单向传输时）。也是基于SPI设备共有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCK（时钟）、CS（片选）。

SDO -主设备数据输出，从设备数据输入，对应MOSI
SDI -主设备数据输入，从设备数据输出,对应MISO
SCLK -时钟信号，由主设备产生
CS -从设备使能信号，有主设备控制

CS：其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号（高电位或低电位）时，对此芯片的操作才有效，这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
**SDI/SDO/SCLK：**通信通过数据交换完成的，这里要知道SPI是串行通信协议，也就是说数据是一位一位传输的。这也是时钟线SCK存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI、SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变，就可以完成8位数据的传输。

要注意的时，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制时钟线。
这样传输方式有一个优点，与普通的串行通信不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停。因为SCK时钟由主控设备控制，当没有时钟跳变是，从设备不采集或传送数据，也就是说，主设备对SCKL时钟线的控制可以完全对通信控制。SPI还是一个数据交换协议。因为SPI的数据输入线和输出线独立，所以可以同时完成数据的输入和输出。

CAN总线通信协议
CAN（Controller Area Network）控制器局域网络是ISO国际标准化的串行通信协议。广泛应用于汽车、船舶等。具有已经被大家认可的高性能和可靠性。
CAN控制器通过组成总线的2根线（CAN-H和CAN-L）的电位差来确定总线的电平，在任一时刻，总线上有2种电平：显性电平和隐性电平。各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，为了避免信号的反射和干扰，还需在CAN_H和CAN_L之间接上120欧姆的终端电阻。
“显性”具有优先的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，并且
“隐性”具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。

CAN收发器
CAN收发器的作用是负责逻辑电平和信号电平之间的转换。即从CAN控制芯片输出逻辑电平到CAN收发器，然后经过CAN收发器内部转换将逻辑电平转换位差分信号输出到CAN总线上，CAN总线上的节点都可以决定自己是否需要总线上的数据。具体的管脚定义如下：
CAN总线关键概念
仲裁
只要总线空闲，总线上任何节点都可以发送报文，如果有两个或两个以上的节点开始传送报文，那么就会存在总线访问冲突的可能。但是CAN使用了标识符的逐位仲裁方法可以解决这个问题。
在仲裁期间，每一个发送器都对发送的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一"隐性"电平而监视到的是一"显性"电平，那么这个节点失去了仲裁，必须退出发送状态。如果出现不匹配的位不是在仲裁期间则产生错误事件。

CAN总线协议
CAN总线是一个广播类型的总线，所以任何在总线上的节点都可以监听总线上传输的数据。也就是说总线上的传输不是点对点的。而是一点对多点的传输，这里多点的意思是总线上所有的节点。但是总线上的节点如何知道哪些数据是传送给自己的呢？CAN总线的硬件芯片提供了一种叫做本低过滤的功能，通过这种本低过滤的功能可以过滤掉一些和自己无关的数据，而保留一些和自己有关的信息。

CAN消息机制
CAN标准定义了四种消息类型，每条消息用一种叫做比特位仲裁机制来控制进入CAN总线，并且每条消息都标记了优先权。另外CAN标准还定义了一系列的错误处理机制。
CAN报文的四种消息类型：
数据帧:数据帧将数据从发送器传输到接收器。
远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。
错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。
过载帧：过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。