I2C、SPI、USRT、USRAT通信方式对比

水深无声 2022-07-14 10:19 330阅读 0赞

在产品开发中经常会遇到一些通信问题，平常经常会用到的I2C、SPI、USRT、USRAT通信方式进行对比。一般通信的速录，距离、接线的问题，会对通信方式的选择有所影响。了解不同通信模式的特点，便于开发中选择合适的通信方式。

一、I2C通信协议。

工作速率有低速100kbits、快速400kbits（常用的）和高速3.4Mbits（未曾使用过，只是听闻）  
支持多机通讯；  
支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控；  
由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线；  
每个电路和模块都有唯一的地址；  
每个器件可以使用独立电源二. 基本工作原理:  
以启动信号START来掌管总线，以停止信号STOP来释放总线；  
每次通讯以START开始，以STOP结束；  
启动信号START后紧接着发送一个地址字节，其中7位为被控器件的地址码，一位为读/写控制位R/W,R. /W位为0表示由主控向被控器件写数据，R/W为1表示由主控向被控器件读数据；  
当被控器件检测到收到的地址与自己的地址相同时，在第9个时钟期间反馈应答信号；  
每个数据字节在传送时都是高位(MSB)在前；

写通讯过程:  
1. 主控在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个START信号掌管总线；  
2. 发送一个地址字节(包括7位地址码和一位R/W)；  
3. 当被控器件检测到主控发送的地址与自己的地址相同时发送一个应答信号(ACK)；  
4. 主控收到ACK后开始发送第一个数据字节；  
5. 被控器收到数据字节后发送一个ACK表示继续传送数据，发送NACK表示传送数据结束；  
6. 主控发送完全部数据后，发送一个停止位STOP，结束整个通讯并且释放总线；

读通讯过程:  
1. 主控在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个START信号掌管总线；  
2. 发送一个地址字节(包括7位地址码和一位R/W)；  
3. 当被控器件检测到主控发送的地址与自己的地址相同时发送一个应答信号(ACK)；  
4. 主控收到ACK后释放数据总线，开始接收第一个数据字节；  
5. 主控收到数据后发送ACK表示继续传送数据，发送NACK表示传送数据结束；  
6. 主控发送完全部数据后，发送一个停止位STOP，结束整个通讯并且释放总线；四. 总线信号时序分析  
1. 总线空闲状态  
SDA和SCL两条信号线都处于高电平，即总线上所有的器件都释放总线，两条信号线各自的[上拉电阻][Link 1]把电平拉高；  
2. 启动信号START  
时钟信号SCL保持高电平，数据信号SDA的电平被拉低(即负跳变)。启动信号必须是跳变信号，而且在建立该信号前必修保证总线处于空闲状态；  
3. 停止信号STOP  
时钟信号SCL保持高电平，数据线被释放，使得SDA返回高电平(即正跳变)，停止信号也必须是跳变信号。  
4. 数据传送  
SCL线呈现高电平期间，SDA线上的电平必须保持稳定，低电平表示0(此时的线电压为地电压)，高电平表示1(此时的电压由元器件的VDD决定)。只有在SCL线为低电平期间，SDA上的电平允许变化。  
5. 应答信号ACK  
[I2C总线][I2C]的数据都是以字节(8位)的方式传送的，发送器件每发送一个字节之后，在时钟的第9个脉冲期间释放数据总线，由接收器发送一个ACK(把数据总线的电平拉低)来表示数据成功接收。  
6. 无应答信号NACK  
在时钟的第9个脉冲期间发送器释放数据总线，接收器不拉低数据总线表示一个NACK，NACK有两种用途:  
a. 一般表示接收器未成功接收数据字节；  
b. 当接收器是主控器时，它收到最后一个字节后，应发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放总线，以便主控接收器发送一个停止信号STOP。五. 寻址约定  
I2C设备地址：

1.已经固化在芯片里。

2.芯片外部的引脚连接的，影响某几位电平的高低，从而改变地址。

例子：MPU9260内部I2C地址，在datasheet中截图

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模拟I2C的通信便是依据I2C的通信时序，控制pin脚的高低电平输出从而达到模拟时序的目的，实现I2C的通信。在另一篇博文中将讲解模拟I2C通信的程序。

二、SPI通信协议（使用后补充）  
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，事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。  
(1)SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入;  
(2)SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出;  
(3)SCLK – 时钟信号，由主设备产生;  
(4)CS – 从设备使能信号，由主设备控制。  
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时(高电位或低电位)，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。  
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK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(上沿和下沿为一次)，就可以完成8位数据的传输。  
要注意的是，SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点:这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，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SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议:因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。  
最后，[SPI接口][SPI]的一个缺点:没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。  
SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。

三、UART通信协议。

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用来主机与辅助设备通信，如[汽车音响][Link 2]与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。  
计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为:CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器(临时内存块)中，再通过FIFO(First Input First Output，先入先出队列)传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。  
它是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C[数据终端设备][Link 3]接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。作为接口的一部分，UART还提供以下功能:将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入[奇偶校验位][Link 4]，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号(键盘和鼠标也是串行设备)。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。  
UART作为异步[串口通信协议][Link 5]的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。  
其中各位的意义如下:  
起始位:先发出一个逻辑"0"的信号，表示传输字符的开始。  
资料位:紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。  
奇偶校验位:资料位加上这一位后，使得"1"的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。  
停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正[时钟同步][Link 6]的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是[数据传输率][Link 7]同时也越慢。  
空闲位:处于逻辑"1"状态，表示当前线路上没有资料传送。  
波特率:是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数(symbol)。一个符号代表的信息量(比特数)与符号的阶数有关。例如资料传送速率为120字符/秒，传输使用256阶符号，每个符号代表8bit，则波特率就是120baud，比特率是120\*8=960bit/s。这两者的概念很容易搞错。

一.USRAT （USART在UART基础上增加了同步功能，即USART是UART的增强型USART相对UART的区别之一就是能提供主动时钟）

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议(不要与[通用串行总线][Link 8]Universal SerialBus或者USB混淆)。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信接口;很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，[串口通信协议][Link 5]也可以用于获取远程采集设备的数据。  
串口通信的概念非常简单，串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米;而对于串口而言，长度可达1200米。  
典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成:(1)地线，(2)发送，(3)接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是比特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配:  
a，比特率:这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，就是指比特率，例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的比特率为14400，28800和36600。比特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高比特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。  
b，数据位:这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0~127(7位)。扩展的ASCII码是0~255(8位)。如果数据使用简单的文本(标准ASCII码)，那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和[奇偶校验位][Link 4]。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语"包"指任何通信的情况。  
c，停止位:用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正[时钟同步][Link 6]的机会。适用于停止位的位数越多，不同[时钟同步][Link 6]的容忍程度越大，但是[数据传输率][Link 7]同时也越慢。  
d，[奇偶校验位][Link 4]:在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式:偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位(数据位后面的一位)，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

[Link 1]: https://www.baidu.com/s?wd=%E4%B8%8A%E6%8B%89%E7%94%B5%E9%98%BB&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[I2C]: https://www.baidu.com/s?wd=I2C%E6%80%BB%E7%BA%BF&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Center]: /images/20220714/0bf1c32258954907afa41845a73d0d7e.png
[SPI]: https://www.baidu.com/s?wd=SPI%E6%8E%A5%E5%8F%A3&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Link 2]: https://www.baidu.com/s?wd=%E6%B1%BD%E8%BD%A6%E9%9F%B3%E5%93%8D&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Link 3]: https://www.baidu.com/s?wd=%E6%95%B0%E6%8D%AE%E7%BB%88%E7%AB%AF%E8%AE%BE%E5%A4%87&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Link 4]: https://www.baidu.com/s?wd=%E5%A5%87%E5%81%B6%E6%A0%A1%E9%AA%8C%E4%BD%8D&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Link 5]: https://www.baidu.com/s?wd=%E4%B8%B2%E5%8F%A3%E9%80%9A%E4%BF%A1%E5%8D%8F%E8%AE%AE&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Link 6]: https://www.baidu.com/s?wd=%E6%97%B6%E9%92%9F%E5%90%8C%E6%AD%A5&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Link 7]: https://www.baidu.com/s?wd=%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%BC%A0%E8%BE%93%E7%8E%87&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1
[Link 8]: https://www.baidu.com/s?wd=%E9%80%9A%E7%94%A8%E4%B8%B2%E8%A1%8C%E6%80%BB%E7%BA%BF&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1d9mvnznWF-mWbzPWN-mHK90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWf3PW0vrjf1