uart、spi、i2c通信协议详解

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前言

之前对于各种通信协议学习了就忘，学了就忘，多种通信方式经常搞混，索性直接一次性在这里进行比较学习，没有进行具体代码实现，都是从原理上进行分析

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一、uart（串口）

介绍

uart（串口）有两根线实现全双工、异步、串行通信，每次传输的数据最多为8位（5-8），还有1位起始位，停止位，校验位可有可无，偶校验：1的个数是偶数将这位置1。比如发送10101010，第一位发的是低位的0而不是高位的1，i2c则相反，第一位发的是最高位1，异步说明了这两者的时钟是不同的，时钟不同即波特率不同，比如发送方波特率是1，接收方波特率是2，那么发送方发送数据10101010就得需要8s，即每位都是1s，接受方接受这些数据会变成1100110011001100，即接受一位0.5s，这也就是说明了我们要把双方的波特率设置成一样的原因，同时，我们还限制了一次最多只能发送8位数据位的原因也在这里，如果双方由于波特率的差异，比如一方波特率是1，发送了10位，接受方波特率0.9，接受就只能接收9位，那么后面的就全乱套了，所以每次发送8位后重新开始，重新对时间，可以避免这种情况

使用

1.将gpio设置为uart
2.配置uart控制器，即串口控制器的寄存器

rs232、rs485拓展

rs232、rs485都是一种电气协议而已，是依附于uart硬件使用的，时序跟uart一样，都是一种标准
由于uart只规定了时序，没有规定什么电平（高电平代表1、低电平代表0，但是具体是多少？），一般uart都是使用ttl电平，所以向非ttl接收端就无法进行通信，所以我们一般不直接使用串口进行通信

rs232（15m）
-5 - -15 为1，5 - 15 为0 一般有max232将单片机的串口ttl电平转成rs232，发送出去，接收方将rs232转成ttl再给回单片机，这样可以将延长通信距离（232可传输15m左右）

rs485（1.5km，串口、232都只能两个，485可形成网络（一个主机，与多个485从机设备），串口、232都是用一根线进行传输，即非差分，485用两根线，为差分，同时485兼容ttl电平，不需要max232进行转换）所以如果只有两根线，那只能半双工，
2 - 6 为1，-2 - -6为0

二、I2C

介绍

i2c是同步、串行、半双工、近距离（板级之间）、多机通信（uart是仅有两个），有两根线，一个scl实现时钟同步，就没有了由于波特率不同导致的误差，就可以一直发送，不同跟uart一样，每次最多可发送8个数据位，然后还得重新发起始位，停止位等，效率高了很多、一个sda可用来发送数据，所以只能进行半双工，由于使用的是电平信号，所以传输距离短，通常连接在上面的有主机从机之分，当然这个主机从机是不固定的，每个从机可以成为主机，，当多个从机同时想启用总线，这时候主机就得进行仲裁，防止错误，每个从机都有唯一7位的地址，所以i2c最多可有127个从机，每次将通过sda发送时先发一个地址，再发数据

1.宏观流程

1.有多个主机，但是同一时刻只能有一个主机进行工作，所以需要工作的主机发送起始信号，占用总线，然后其他主机这个时候就不会占用了
2.一个字节8位，前7位是从机地址，最后一位决定是从机给主机发（1），还是主机给从机发（0），这一个字节所有从机都可以接收到，将前7位与自己相比对，如果不一样就闭嘴了
3.当正确的从机接受到这一字节后，发一个应答信号给主机
4.两者已经建立连接了，所以这个时候就开始了发送器给接收器了（这里第一个字节的最后一位是1，发送器就是主机）
5.接收器接受完也会给发送器一个应答 … 注意：这里的两个已经确定身份了，所以这个时候发送器和接收器不能互换
6.通信完成后，主机发送停止信号释放总线

2.时序上

简介：i2c通信时，总的分出来就4种信号：总用总线时的起始信号、发送一字节数据的数据发送信号、接收器的应答信号、释放总线的停止信号

起始信号和停止信号

发送信号与应答信号 即发送器发送了8位数据，接收器发送了1位应答位，即一帧数据有9位，uart有起始位、数据位（5-8）、校验位、停止位。

同步信号的要求：i2c规定，scl实现双方同步，scl为低，就是给发送器发送数据的，这时候sda可以改变，scl为高，就是给接受器接受的，所以scl为高，那么sda这个时候不能变，这样就成功发送了一位，一帧数据有9位，就发9次

3.典型操作

方向位为0：主机作为发送器，这个时候要停止有两种情况：1.主机主动停止，那么就在从机应答后发送停止
2.从机想停止，那么发送器（即主机）发数据，从机不应答，这个时候主机就知道从机想停止了，那么就发送停止

方向位为1：主机作为接收器，停止：接收器（主机）应答/不应答，然后发送结束

半双工：主机先作为发送器，发送完数据，从机作为接收器，接受完应答，然后主机再发送一个开始信号，然后从机发送数据，主机接收数据。注意两者没有停止信号，防止由于主机释放总线后被其他抢走

三、spi（串行外设接口）

介绍

spi是全双工、同步、比uart、i2c快速，用来mcu与各种外设通信，主机至少有4根线，mosi（主设备输出从设备输入）、miso（主设备输入从设备输出）实现全双工、sclk（实现同步）、cs（片选，每个从机只需要4个线，当有多个从机，那么主机就得多cs线），这也就导致了相比于i2c，spi主机是固定的，不会像i2c变来变去，spi与i2c一样先发高位，后发地位，与uart不一样，同时spi无虚应答信号，无起始信号，无停止信号，直接就是数据，与i2c不一样，这样容易导致接收器没接收到，然而发送器一直发

使用

1.宏观上

1.主机向要发送的从机的cs发送使能信号（高/低不确定，看从机），表明选定了该从机，比如，3个主机，使能信号为0，那么就给所有非目标从机cs发1，给目标从机发0。

2.微观上

总结

1.i2c和spi对比

1.i2c半双工、spi全双工，i2c两根线、spi4根线或更多
2.spi速度比i2c快
3.i2c有四种信号，spi只有数据格式
4.spi有四种工作模式，i2c只有一种规定好的时钟相位和时钟极性
5.i2c可用多主机，spi只有一个主机

相同点
1.数据传输都是高位在前，低位在后
2.都是同步通信，使用的都是ttl电平