UART

UART（通用异步接收发送器）：也就是我们通常所说的串口，主要用于调试。UART的主机和从机，至少需要三根线，分别是

RX,TX和GND

，其中TX用于发送数据，RX用于接收数据，因此是

全双工

的

UART协议也很简单，主要包括

空闲位，起始位，数据位，奇偶校验位和停止位

，空闲位为高电平，表示当前无数据传输，起始位为一个一位的低电平信号，数据位一般是5，6，7，8位(

如果不使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为9位

)，由双方事先约定好，然后是奇偶校验位，用于数据出错的检测，但由于出错的概率很小，因此现在一般都不需要，最后停止位是1位、1.5位、2位的高电平信号。

UART中，还有一个概念就是

波特率

，即数据传输的速率，常见的有300，600，1200，2400，4800，9600，19200，38400，43000，56000，57600和115200。

SPI

即Serial Peripheral Interface，同步外设接口，是由摩托罗拉公司开发的

全双工同步串行总线

，该总线大量用于与EEPROM，ADC，FRAM和显示驱动器之类的慢速外设器件通信。

SPI是一种串行同步通讯协议，由

一个主设备和一个或多个从设备组成

，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI接口由

SDI串行数据输入,SDO串行数据输出,SCK时钟信号，CS片选信号

四种信号构成，CS决定了唯一的与主设备通信的从设备，片选信号

低电平有效

。如没有CS信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由SDO输出，SDI输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI读入，这样经过8/16次时钟的改变，完成8/16位数据的传输。

SPI协议有多种不同的配置，由

时钟相位

和

时钟极性

决定。

时钟极性(CPOL)

Clock Polarity的缩写，SPI的CPOL，表示当SCLK空闲(idle)的时候，其电平的值是低电平0还是高电平1：


CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平



CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平

时钟相位(CPHA)

用于决定在第几个时钟变化边沿开始采样数据：


CPHA=0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样



CPHA=1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样


因此，不同的CPOL和CPHA组合，可以得到一共四种不同的SPI协议的配置：

CPHA=0，表示第一个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿采样

对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿采样

CPHA=1，表示第二个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿采样

对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿采样

如下图所示

IIC

IIC，即Inter Integrated Circuit，两根线：一根时钟线

SCL

和一个数据线

SDA

。由于只有一根数据线，所以是

半双工通信

。

IIC的

起始条件

为在

SCL为高电平期间，SDA出现下降沿




IIC的

结束条件

为在

SCL为高电平期间，SDA出现上升沿




而在数据传输时，

只有在SCL为低电平期间，才允许数据变化

，在高电平期间，不允许数据变化，否则就会出现起始位或结束位。



IIC还有一个很重要的概念：

应答（ACK，Acknowledgement）

。即确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。主机每向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，来确认从机是否成功接收到了数据，从机应答主机所需要的时钟也是由主机提供的，应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，

低电平0表示应答，1表示非应答

。需要应答时，数据发出方将SDA总线设置为3态输入，由于IIC总线上有上拉电阻，因此此时总线默认高电平，若数据接收方正确接收到数据，则数据接收方将SDA总线拉低，以示正确应答。

此外，

IIC传输时是从MSB开始传输到LSB结束的

。

IIC写时序：



其流程为

1.产生start位

2.传送

器件地址ID_Address

，

器件地址的最后一位为数据的传输方向位

，R/W，低电平0表示主机往从机写数据（W），1表示主机从从机读数据3.ACK应答，应答是从机发送给主机的应答。

4.传送

寄存器地址

，即数据要写入的位置，从机ACK。

5.传送要写入的数据，从机ACK。

6.产生stop信号。

IIC读时序：



其流程为

1.产生start信号

2.传送器件地址（写ID_Address），ACK。

3.传送字地址（写REG_Address），ACK。

4.

再次产生start信号


5.再传送一次器件地址，ACK。

6.读取一个字节的数据，

读数据最后结束前无应答(NO ACK)信号

。

7.产生stop信号。

IIC协议在读写数据时，总是要发送器件地址，这里需要注意的是，不是主机给从机发送地址，而是主机给地址总线上发送地址，挂IIC总线上的所有从机都能收到地址，如果发过来的地址和自己的地址匹配上了，从机就会给主机一个应答，这样就建立起来了一个通讯。

关于IIC总线一些需要注意的地方：

1.对IIC总线的一次操作完之后，需要等待一段时间才能进行第二次操作。否则是启动不了总线的

2.在时钟线（SCL）为高电平的时候，一定不能动数据线（SDA）状态，除非是启动或者结束总线

UART,IIC,SPI的区别和联系

信号线数目

UART为3根，RX、TX、GND ，SPI为4根，SDO、SDI、SCLK、SS，IIC为2根，SDA、SCLK

设备从属关系

UART无从属关系，SPI存在主从设备，通过

片选信号

选择从机 ，而IIC同样也存在主从设备，不过是通过

地址

选择从机。

通信方式

UART和SPI为全双工通信，IIC为半双工通信

UART为异步通信(无时钟)，SPI和IIC为同步通信

传输速度

UART传输速度较慢 ，SPI比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。

应用场景

UART常用于控制计算机与串行设备的芯片，也就是我们经常所说的串口，基本都用于调试。

SPI主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间 。

I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信 ，它可以替代标准的并行总线，连接各种集成电路和功能模块。

传输距离

IIC弱于UART和SPI，因为I2C需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻(

为了实现线与

)，

抗干扰能力较弱

，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信

通信特征

UART：异步，一帧可以传5/6/7/8位，

低位先发送

。

SPI: 同步，SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停。

从最高位开始传

。

IIC:同步，电平信号，一次连续8bit。

从最高位开始传

。

协议复杂度

UART：结构比较复杂

SPI：实现要比UART简单，UART需要固定的波特率，也就是说两位数据的间隔要相等，而SPI则无所谓，因为它是有时钟的协议。

IIC：协议比SPI复杂，但是连线比标准的SPI要少

此外，在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信,显得简单高效。而在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。