USART波特率與SPI速率對比

本文主要結(jié)合STM32，講述UART和SPI有關(guān)速率相關(guān)的知識。

1.串口和SPI內(nèi)部時鐘 在回答上面問題之前，需要先了解STM32內(nèi)部時鐘的概念，尤其是串口和SPI的內(nèi)部時鐘。

STM32里包含有系統(tǒng)時鐘、AHB時鐘和APB時鐘。APB時鐘來源于AHB，AHB時鐘來源于系統(tǒng)時鐘。

從上圖中可以看出，時鐘就像流水一樣，從時鐘源匯聚到系統(tǒng)時鐘上，再從系統(tǒng)時鐘繼續(xù)分頻或者說是繼續(xù)分發(fā)到AHB、APB。

通常我們談?wù)摰?a target="_blank">MCU能跑到多少M、主頻多少M，其實所指的就是系統(tǒng)時鐘。

這些時鐘在不同的STM32系列中是不一樣的，我們以STM32F401為例，手冊上說它的APB1的最高時鐘是42MHz，APB2的最高時鐘是84MHz，不同的外設(shè)因為掛在不同的總線上，所以速度就不太相同了。比如USART1掛在APB2上，所以它的時鐘最高就是84MHz, USART2是掛在APB1上，它的總線時鐘最快就是42MHz。當我們配置串口的時候會發(fā)現(xiàn)，USART2的baudrate最高是2.625Mbit/s，但是同樣配置的USART1卻可以達到5.25Mbit/s，這就是因為所在的總線時鐘的不同而不同。

那我們怎么知道使用的USART1、USART2到底掛在哪條總線上呢？去從數(shù)據(jù)手冊里尋找，直接在手冊里搜索關(guān)鍵詞APB1或者APB2就可以快速找到列表。 2.串口的過采樣技術(shù)規(guī)范

比如說做數(shù)據(jù)的接收，我們可以看到串口是通過過采樣技術(shù)來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收，因為它沒有時鐘線，只能通過高于波特率的16倍或者8倍對總線上的數(shù)據(jù)一個一個地進行采集，根據(jù)最后采集到的情況來判斷信號的狀態(tài)。

舉個例子，當我們采集START信號的時候，實際上它要求采集到1110 x0x0x0 000這樣固定的序列的時候才認為是一個起始信號。START信號在串口里是一個bit的低電平信號，我們用16倍的速率進行采樣，首先它在前面會做一個下降沿檢測，這個檢測是要在前面的4個bit能檢測到1110，硬件會對總線上的數(shù)據(jù)根據(jù)采樣點一直進行檢測，這里的采樣點就是APB的時鐘，串口掛在不同的APB上用的時鐘不一樣。采樣的時候采集到1110就知道是一個下降沿，后面的x意思是任意的，后面的幾個位中至少需要檢測到三個0，而最后邊的三個位需要是連續(xù)的三個0，這樣才能被判定是一個起始位。其實只是判斷了3、5、7、8、9、10這六個點，只要是0，就可以確認了。這里我們是以START信號為例，其他信號也是這樣的。

可能有人會有疑問，x是任意的，不去檢測，如果0不滿足要求應(yīng)該怎么辦呢？

如果3、5、7、8、9、10這六個點都是0，那就可以認為這是一個起始信號；如果在3、5、7和8、9、10這兩個階段都滿足至少有兩個bit是0的話，那就可以確認它是起始信號，確認的意思是說它里面的接收緩沖區(qū)非空，標志位就已經(jīng)置上了，承認這個信號，但是還要給一個NE的標志位，因為雖然承認了這個信號，但里面是存在噪聲的。我們看串口的中斷標志位的時候就可以看到，在它的錯誤事件里就有一個NOISE FLAG，這個位就表示當串口在接收的時候，在總線上檢測到的電平并不是一個標準的、完整的高電平或者低電平，會有錯誤但不影響整個數(shù)據(jù)的接收，如果在接收的時候開啟了EIE位，錯誤可以產(chǎn)生一個中斷，讓MCU對總線上的情況有一個了解。

如果前三個bit滿足條件，而后三個bit沒有滿足的話，那就說明這個數(shù)據(jù)是錯誤的，就不會置標志位了，只要在3、5、7和8、9、10這兩個階段中有一個階段不滿足條件，就不會置位，并且還會有噪聲的說明。

當然了，這些都是在檢測下降沿沒有問題的情況下來說的，如果說在檢測下降沿1110都不完整或者是錯誤的，直接就會回到ideal狀態(tài)，重新等待下一個數(shù)據(jù)發(fā)送過來。

3.SPI的速度為什么這么快？

我們可以看一下SPI的時序圖，圖中上面兩根線是CLOCK線，它根據(jù)配置的不同而不同，在CPHA=0時，即在第一個時鐘沿進行采樣，CPOL表示的是時鐘的默認電平是高電平（CPOL=1）還是低電平（CPOL=0），這里看到的每個時鐘都可以傳輸一個bit。

4.SPI速率是不是應(yīng)該和系統(tǒng)時鐘一樣？ 其實不是，因為系統(tǒng)需要時間去獲取采集到的數(shù)據(jù)，所以SPI的時鐘分頻系數(shù)最小是二分之一的分頻，那么就是說SPI的速度是系統(tǒng)時鐘的一半了。

有人覺得同步傳輸明顯優(yōu)于異步傳輸，因為有時鐘線，傳輸速率會更高。

但其實這種說法并不是完全正確的，因為每一種傳輸方式都有自己的優(yōu)勢。比如串口有自動波特率的功能，就是說在接收的時候并不知道主機是按照什么樣的波特率進行傳輸?shù)?，那就只能等主機發(fā)一個特定字節(jié)的數(shù)據(jù)過來并且檢測數(shù)據(jù)的狀態(tài)，然后自己硬件去設(shè)置波特率的寄存器，這樣就可以在下一次傳輸?shù)臅r候和主機使用相同的波特率。其次，在不同的溫度范圍內(nèi)，內(nèi)部的RC振蕩器是有溫漂的并且很大，最標準的校準方法是給它一個時鐘沿，但是很多時候并沒有這個時鐘沿，那我們就可以用自動波特率。每次通訊的時候都采用自動波特率，就是每次都先接收，接收之后BRR寄存器里面的值就會隨著溫度的變化發(fā)生改變，MCU就可以根據(jù)BRR的值來調(diào)節(jié)HSITRIM。這個方法的好處是不需要提供一個非常標準的時鐘，通過串口通訊這種異步的方式就可以把時鐘信息傳給單片機內(nèi)部。