嵌入式（五）通信协议 | 串行异步同步 UART SPI I2C 全解析

这节我们讲串行通信方式UART，SPI，I2C

先来看一下常见的通信方式分类方法

串行or并行？

​ 串行通信 一次只能发送一位，要发送8次才能发送一个字节。

​ 并行通信 通信时数据的各个位同时传送，可以实现字节为单位通信，但是通信线多占用资源多，成本高。

**同步or异步？ **

​ 同步通信：所有设备使用一个共同的时钟信号，发送和接收双方严格按照该时钟信号处理数据的发送和接收。同步通信的优点是数据传输速率高，缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格同步。 SPI和I2C属于同步通信。

​ 异步通信：异步通信中，每个设备都有自己的时钟信号，通信双方的时钟频率保持一致。异步通信以字符为单位进行数据传送，每一个字符均按照固定的格式传送，被称为帧，即串行异步通信一次传送一个帧。UART属于串行异步通信

​

0 串口通信协议

串口通信

​ 串口通信，顾名思义也就是利用串行接口进行通信。串口通信和串行通信的区别在于：串行通信是一种概念，串口通信是一种是实现串行通信的具体的通信手段。

​ 串口通信连接包括两根线，发送和接受双方交叉连接

​ 一个RXD（Receive Data，RXD），表示接收数据

​ 一个TXD（Transmit Data，RXD），表示发送数据

1 通用异步收发传输器 UART

串行通信，异步通信，既可以半双工也可以全双工

那么实际传输过程中，串口通信是一帧一帧组成的。每一帧数据由起始位（低电平）、数据位、奇偶校验位（可选）、停止位（高电平）组成

1.1 串口配置

而通信前，需要进行配置协商，需要配置的量有

​ 串口号

​ 波特率：波特率必须一致，是传输速率，每秒传多少码元

​ 数据位：设置数据位有几位

​ 停止位：设置停止位几位

​ 校验位：设置是否有校验位

​ 流控制

这里有一个概念，叫做波特率

波特率 vs 比特率

• 波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。单位：码元/s，所以它与比特率是不同的概念

• 比特率表示每秒钟通过信道传输的信息量，也就是每秒钟传送的二进制位数。 单位：bit/s、比特/秒

• 不同的调制方法可在一个码元上负载多个比特信息。比特率=波特率*单个调制状态对应的二进制位数

• 对于二进制的信号，码元速率和信息速率在数值上是相等的。 因此，对于串口来说，比特率=波特率

• 但要注意：这里的比特率并不是应用层的有效数据传输率，因为开始位、停止位、校验位占了开销。

1.2 串口初始化

1 时钟速率配置

时钟控制命令寄存器CLKCONCMD

举例

CLKCONCMD &=0x80; //时钟频率为32ＭＨＺ

使用UART之前的引脚配置步骤

2 功能选项位置配置

使用寄存器PERCFG

举例

PERCFG=0x00;

3 使能引脚的外设功能 -USART功能

P0SEL寄存器

4 确定多功能的优先级

P2DIR寄存器

在这里插入图片描述

P2DIR&= ~0XC0; //P0优先作为串口0

5 使能USARTx的UART模式

U0CSR寄存器 //UART模式

U0GCR寄存器 //baud_e

U0CSR |= 0x80; //UART模式

U0GCR |= 10; //baud_e

没有用到U0UCR

6 波特率设置

U0BAUD寄存器

7 初始化中断标志位

UTX0IF寄存器

8 使能总中断

1 确定PIN

2 使能引脚外设功能

3 确定功能选项位置，确定多功能的优先级（可选）

4 使能USARTx的UART模式

寄存器USARTx

寄存器UxCSR

UxGCR

1.3 串口发送和接收方式

1.3.1 轮询方式发送

if(UartState == UART0_TX)              //发送状态 
        {                         
            U0CSR &= ~0x40;                    //禁止接收 
            UartSendString(RxData, count);     //发送已记录的字符串。
            U0CSR |= 0x40;                     //允许接收 
            UartState = UART0_RX;              //恢复到接收状态 
            count = 0;                         //计数清0
            memset(RxData, 0, SIZE);           //清空接收缓冲区
        }    

1.3.2 中断方式发送

每个USART都有两个中断：

– 发送数据完成中断(URXxIF)

– 接收数据完成中断(UTXxIF)。

IEN2 |=0x04;  //开USART0发送中断

#pragma vector = UTX0_VECTOR
__interrupt void UART0TX_ISR(void)
{
	txNext=1 ; 
	UTX0IF = 0; //清中断标志
}

1.3.3 查询方式接收

        if(UartState == UART0_RX)              //接收状态 
        { 
          while(URX0IF==0);
          URX0IF=0;
          RxBuf = U0DBUF;  
          if(RxBuf != 0) 
          {                 
                if((RxBuf != '#')&&(count < 50))//以'＃'为结束符,一次最多接收50个字符            
                    RxData[count++] = RxBuf; 
                else
                {
                    if(count >= 50)             //判断数据合法性，防止溢出
                    {
                        count = 0;              //计数清0
                        memset(RxData, 0, SIZE);//清空接收缓冲区
                    }
                    else
                        UartState = UART0_TX;  //进入发送状态 
                }
                RxBuf  = 0;
          }
        }

1.3.4 中断方式接收

IEN0 |=0x84;  //开接收中断

#pragma vector = URX0_VECTOR
__interrupt void UART0RX_ISR(void)
{
 RxBuf = U0DBUF; //取出接收到字节
 URX0IF = 0; //清中断标志
}

2 串行外设接口 SPI

串行通信，全双工，同步通信

2.1 标准的四线SPI接口

UART只有两根线，而SPI要四根线

– SSEL：片选，也写做SSN，从设备片选使能信号。
– SCLK：时钟，也写作SCK，由主机产生，和SCL类似
– MOSI：主机输出从机输入，Master Output/Slave Input，主机给从机发送指令或
者数据的通道。
– MISO：主机输入从机输出，Master Input/Slave Output，主机读取从机的状态或
者数据的通道

Master-Slave

– SPI通信的参与方中只有一端提供时钟，称为Master,其他为Slave

– SPI通信可以一个Master,多个Slave, 通过片选信号选择当前通信的Slave设备

2.2 SPI的四种模式

CPOL：时钟极性，CPOL=1，表示空闲状态为高电平，CPOL=0，表示空闲状态为低电平,就是不处于发送状态的时候是什么电平

CPHA：时钟相位，CPHA=1 表示数据的输出是在第一个时钟周期的第一个沿，CPHA=0，表示数据的采样是在第一个时钟周期的第一个沿

数据的输出和数据的采样的区别

就是这样的

首先数据传输的时候肯定会有一个发送方（主机）和一个接收方（从机）

他们（发送方和接收方）俩在我们这门课里是通过一条线相连的

发送方一个比特一个比特的发送，发送1 的时候将线上的电平置位高电平，发送0 的时候将线上的电平置位低电平（也就是我们的数据输出，数据输出可以理解为将电线上电平进行调整的过程）

接收方一个比特一个比特的接收（也就是我们的数据采样，数据采样就可以理解为接收方获得线上此时的电平高低，高电平则收到1，低电平则收到0

2.3 配置

1 引脚配置

• Slave模式中，四条线都配置为外设功能

• Master模式中，MOSI, MISO, and SCK配置为外设功能，SSN配置为GPIO功能(output)

寄存器PERCFG

PxSEL

PxDIR

2 配置SPI时钟的波特率

在UxBAUD中配置BAUD_M

在U型GCR中配置BAUD_E

3 配置SPI的 Master或SPI Slave模式

用UxCSR寄存器

4 配置时钟极性、时钟相位、Bit顺序

UxGCR.CPHA和UxGCR.CPOL

2.4 发送和接收

Master向Slave传输数据

比如 CC2530向液晶屏传输信息

Slave向Master传输数据

比如外界向CC2530传输信息

液晶屏接口

SPI液晶屏是典型应用

3 I2C总线接口 I2C

需要两线式 串行总线，可以发送和接收数据

从应用上来讲，UART通信多用于板间通信，I2C多用于板内通行

I2C总线组成线与的关系，任何一个器件都可以拉低电平

I2C总线可以并联多个器件

I2C总线有起始信号，数据传输和停止信号

3.1 通信时序解析

起始信号 SCL为高电平期间，SDA由高电平向低电平变化时产生一个下降沿

数据传输 MSB first，SCL是低电平，才可以改变数据线SDA，输出要发送的数据的一位，SCL在高电平的时候，SDA绝对不可以变化，每个字节跟了一个应答位（拉低SDA即输出“0”）

停止信号 SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化产生一个上升沿

3.2 寻址及其示例

​ 发送方：7位地址+1位读写位，其中高四位是厂商固定设备ID，低三位取决于具体电路设计，最后1位代表是读0还是写1

​ 接收方：回应一个ACK

3 3通信速率

I2C通信分为低速模式100kbit/s、快速模式400kbit/s和高速模式3.4Mbit/s。

3.4 传送和接收 读写数据

单字节读，多字节读