通信協(xié)議比較：USART、I2C、SPI

通信協(xié)議的基本概念

通信協(xié)議不難理解，就是兩個（或多個）設(shè)備之間進(jìn)行通信，必須要遵循的一種協(xié)議。通信協(xié)議是指雙方實體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。通過通信信道和設(shè)備互連起來的多個不同地理位置的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，要使其能協(xié)同工作實現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語言。交流什么、怎樣交流及何時交流，都必須遵循某種互相都能接受的規(guī)則。這個規(guī)則就是通信協(xié)議。

通訊方式分類

1、按照數(shù)據(jù)的傳送方式劃分

串行通訊與并行通訊

串行通訊：指設(shè)備之間通過少量數(shù)據(jù)信號線(一般是 8 根以下)，地線以及控制信號線，按數(shù)據(jù)位形式一位一位地傳輸數(shù)據(jù)的通訊方式。

并行通訊：指使用 8、16、32 及 64 根或更多的數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞剑瑫r傳輸多個數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)。

兩者比較：在數(shù)據(jù)傳輸速率相同時，并行效率更高，可以傳輸更多數(shù)據(jù)量；而串行通訊節(jié)省成本。并行傳輸對同步要求較高，且隨著通訊速率的提高，信號干擾的問題會顯著影響通訊性能。比較如下：

2、按數(shù)據(jù)通訊方向劃分

全雙工、半雙工、單工通訊

3、按照數(shù)據(jù)通訊的同步方式/是否使用時鐘信號進(jìn)行劃分

同步通訊和異步通訊

同步通訊：收發(fā)設(shè)備雙方會使用一根信號線表示時鐘信號，在時鐘信號的驅(qū)動下雙方進(jìn)行協(xié)調(diào)，同步數(shù)據(jù)。通訊中通常雙方會統(tǒng)一規(guī)定在時鐘信號的上升沿或下降沿對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣

異步通訊：不使用時鐘信號進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，直接在數(shù)據(jù)信號中穿插一些同步用的信號位，或者把主體數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，以數(shù)據(jù)幀的格式傳輸數(shù)據(jù)，某些通訊中還需要雙方約定數(shù)據(jù)的傳輸速率，以便更好地同步。

兩者比較：在同步通訊中，數(shù)據(jù)信號所傳輸?shù)膬?nèi)容絕大部分就是有效數(shù)據(jù)，而異步通訊中會包含有幀的各種標(biāo)識符，所以同步通訊的效率更高，但是同步通訊雙方的時鐘允許誤差較小，而異步通訊雙方的時鐘允許誤差較大。

4、按照通訊速率

比特率和波特率

比特率(Bitrate)：每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，單位為比特每秒(bit/s)。

波特率(Baudrate)：表示每秒鐘傳輸了多少個碼元

三、串口協(xié)議

USART——串口通訊

包括RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

串口通訊協(xié)議的物理層及協(xié)議層：

1、物理層：串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)及變種，主要有RS-232標(biāo)準(zhǔn)，一般只使用 RXD、TXD 以及 GND 三條信號線，直接傳輸數(shù)據(jù)信號。

2、協(xié)議層：串口通訊的數(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過自身的 TXD 接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的 RXD 接口。在串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由啟始位、主體數(shù)據(jù)、校驗位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)校驗

奇校驗：有效數(shù)據(jù)和校驗位中“1”的個數(shù)為奇數(shù)；

偶校驗：有效數(shù)據(jù)和校驗位中“1”的個數(shù)為偶數(shù)；

3、USART——通用同步異步收發(fā)器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)

RX、TX

串行通信：以幀格式傳輸數(shù)據(jù)，即是一幀一幀的傳輸，每幀包含有起始信號、數(shù)據(jù)信息、停止信息，可能還有校驗信息。

字符幀：一個字符幀發(fā)送需要三個部分：起始位+數(shù)據(jù)幀+停止位。起始位是一個位周期的低電平，位周期就是每一位占用的時間；數(shù)據(jù)幀就是我們要發(fā)送的 8 位或 9 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是從最低位開始傳輸?shù)?；停止位是一定時間周期的高電平。

I2C通訊協(xié)議

I2C通訊協(xié)議(Inter－Integrated Circuit)：由 Phiilps 公司開發(fā)的，由于它引腳少，硬件實現(xiàn)簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，不需要 USART、CAN 等通訊協(xié)議的外部收發(fā)設(shè)備，現(xiàn)在被廣泛地使用在系統(tǒng)內(nèi)多個集成電路(IC)間的通訊。

1、物理層：雙向串行數(shù)據(jù)線（SDA）,串行時鐘線（SCL）

(1) 它是一個支持設(shè)備的總線?！翱偩€”指多個設(shè)備共用的信號線。在一個 I2C 通訊總線中，可連接多個 I2C 通訊設(shè)備，支持多個通訊主機(jī)及多個通訊從機(jī)。

(2) 一個 I2C 總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數(shù)據(jù)線(SDA) ，一條串行時鐘線(SCL)。數(shù)據(jù)線即用來表示數(shù)據(jù)，時鐘線用于數(shù)據(jù)收發(fā)同步。

(3) 每個連接到總線的設(shè)備都有一個獨立的地址，主機(jī)可以利用這個地址進(jìn)行不同設(shè)備之間的訪問。

(4) 總線通過上拉電阻接到電源。當(dāng) I2C 設(shè)備空閑時，會輸出高阻態(tài)，而當(dāng)所有設(shè)備都空閑，都輸出高阻態(tài)時，由上拉電阻把總線拉成高電平。

(5) 多個主機(jī)同時使用總線時，為了防止數(shù)據(jù)沖突，會利用仲裁方式?jīng)Q定由哪個設(shè)備占用總線。

2、協(xié)議層：定義了通訊的起始和停止信號、數(shù)據(jù)有效性、響應(yīng)、仲裁時鐘同步和地址廣播等環(huán)節(jié)

S：傳輸開始信號；SLAVE_ADDRESS：從機(jī)地址；R/W：傳輸方向選擇位，1為讀，0為寫

A/A：應(yīng)答(ACK)或非應(yīng)答(NACK)信號；P：停止傳輸信號

通訊過程：起始信號產(chǎn)生后，所有從機(jī)就開始等待主機(jī)緊接下來廣播 的從機(jī)地址信號(SLAVE_ADDRESS)。在 I2C 總線上，每個設(shè)備的地址都是唯一的，當(dāng)主機(jī)廣播的地址與某個設(shè)備地址相同時，這個設(shè)備就被選中了，沒被選中的設(shè)備將會忽略之后的數(shù)據(jù)信號。根據(jù) I2C協(xié)議，這個從機(jī)地址可以是 7位或 10位。在地址位之后，是傳輸方向的選擇位，該位為 0 時，表示后面的數(shù)據(jù)傳輸方向是由主機(jī)傳輸至從機(jī)，即主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)。該位為 1時，則相反，即主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。從機(jī)接收到匹配的地址后，主機(jī)或從機(jī)會返回一個應(yīng)答(ACK)或非應(yīng)答(NACK)信號，只有接收到應(yīng)答信號后，主機(jī)才能繼續(xù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

讀和寫數(shù)據(jù)：I2C通訊更常用的是復(fù)合格式，該傳輸過程有兩次起始信號(S)。一般在第一次傳輸中，主機(jī)通過 SLAVE_ADDRESS 尋找到從設(shè)備后，發(fā)送一段“數(shù)據(jù)”，這段數(shù)據(jù)通常用于表示從設(shè)備內(nèi)部的寄存器或存儲器地址(注意區(qū)分它與 SLAVE_ADDRESS 的區(qū)別)；在第二次的傳輸中，對該地址的內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)憽５谝淮瓮ㄓ嵤歉嬖V從機(jī)讀寫地址，第二次則是讀寫的實際內(nèi)容。

（2）通訊的起始和停止信號：起始和停止信號一般由主機(jī)產(chǎn)生

起始信號：SCL為高，SDA 高 —>低；

停止信號：SCL為高，SDA 低 —>高；

數(shù)據(jù)有效性：傳輸時，SCL 為高電平的時候 SDA 表示的數(shù)據(jù)有效，即此時的 SDA 為高電平時表示數(shù)據(jù)“1”，為低電平時表示數(shù)據(jù)“0”。當(dāng) SCL為低電平時，SDA 的數(shù)據(jù)無效，一般在這個時候 SDA 進(jìn)行電平切換，為下一次表示數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

3、I2C特性及架構(gòu)

軟件模擬協(xié)議：直接控制芯片的兩個 GPIO 引腳，分別用作 SCL 及 SDA，按照上述信號的時序要求，直接控制引腳的輸出(若是接收數(shù)據(jù)時則讀取 SDA 電平)，就可以實現(xiàn) I2C 通訊。由直接控制 GPIO 引腳電平產(chǎn)生通訊時序時，需要由 CPU 控制每個時刻的引腳狀態(tài)。

硬件協(xié)議：STM32 的 I2C 片上外設(shè)專門負(fù)責(zé)實現(xiàn) I2C 通訊協(xié)議，只要配置好該外設(shè)，它就會自動根據(jù)協(xié)議要求產(chǎn)生通訊信號，收發(fā)數(shù)據(jù)并緩存起來，CPU只要檢測該外設(shè)的狀態(tài)和訪問數(shù)據(jù)寄存器，就能完成數(shù)據(jù)收發(fā)。

SPI通訊協(xié)議

SPI(Serial Peripheral Interface)：串行外圍設(shè)備接口，是一種高速全雙工的通信總線。

1、SPI物理層：3條總線及片選線（SCK、MOSI、MISO、片選線共4根）

(1)片選線：從設(shè)備選擇信號線，當(dāng)有多個 SPI 從設(shè)備與 SPI 主機(jī)相連時，設(shè)備的其它信號線 SCK、MOSI及 MISO同時并聯(lián)到相同的 SPI總線上，即無論有多少個從設(shè)備，都共同只使用這 3 條總線；而每個從設(shè)備都有獨立的這一條 NSS 信號線，本信號線獨占主機(jī)的一個引腳，即有多少個從設(shè)備，就有多少條片選信號線。I2C 協(xié)議中通過設(shè)備地址來尋址、選中總線上的某個設(shè)備并與其進(jìn)行通訊；而 SPI 協(xié)議中沒有設(shè)備地址，它使用 NSS 信號線來尋址，當(dāng)主機(jī)要選擇從設(shè)備時，把該從設(shè)備的 NSS 信號線設(shè)置為低電平，該從設(shè)備即被選中片選有效，接著主機(jī)開始與被選中的從設(shè)備進(jìn)行 SPI 通訊。所以SPI通訊以 NSS 線置低電平為開始信號，以 NSS 線被拉高作為結(jié)束信號。

(3) MOSI(Master Output，Slave Input)：主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。主機(jī)的數(shù)據(jù)從這條信號線輸出，從機(jī)由這條信號線讀入主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，即這條線上數(shù)據(jù)的方向為主機(jī)到從機(jī)。

(4) MISO(Master Input，Slave Output)：主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。主機(jī)從這條信號線讀入數(shù)據(jù)，從機(jī)的數(shù)據(jù)由這條信號線輸出到主機(jī)，即在這條線上數(shù)據(jù)的方向為從機(jī)到主機(jī)。

2、協(xié)議層：SPI 協(xié)議定義了通訊的起始和停止信號、數(shù)據(jù)有效性、時鐘同步等環(huán)節(jié)。

SPI通訊時序：

(1)通訊的起始和停止信號：

起始信號：NSS 信號線由高變低，是 SPI 通訊的起始信號。NSS 是每個從機(jī)各自獨占的信號線，當(dāng)從機(jī)在自己的 NSS 線檢測到起始信號后，就知道自己被主機(jī)選中了，開始準(zhǔn)備與主機(jī)通訊。

停止信號：NSS 信號由低變高，是 SPI 通訊的停止信號，表示本次通訊結(jié)束，從機(jī)的選中狀態(tài)被取消。

(2)數(shù)據(jù)有效性：SPI 使用 MOSI 及 MISO 信號線來傳輸數(shù)據(jù)，使用 SCK 信號線進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。MOSI及 MISO 數(shù)據(jù)線在 SCK 的每個時鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)輸入輸出是同時進(jìn)行的。MOSI 及 MISO 的數(shù)據(jù)在 SCK 的上升沿期間變化輸出，在 SCK的下降沿時被采樣。即在 SCK的下降沿時刻，MOSI及 MISO 的數(shù)據(jù)有效，高電平時表示數(shù)據(jù)“1”，為低電平時表示數(shù)據(jù)“0”。在其它時刻，數(shù)據(jù)無效，MOSI 及 MISO為下一次表示數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。SPI每次數(shù)據(jù)傳輸可以 8 位或 16 位為單位，每次傳輸?shù)膯挝粩?shù)不受限制。

DMA——直接存儲器存取

DMA(Direct Memory Access)：是單片機(jī)的一個外設(shè)，它的主要功能是用來搬數(shù)據(jù)，但是不需要占用 CPU，即在傳輸數(shù)據(jù)的時候，CPU 可以干其他的事情，好像是多線程一樣。數(shù)據(jù)傳輸支持從外設(shè)到存儲器或者存儲器到存儲器

1、DMA請求：如果外設(shè)要想通過 DMA 來傳輸數(shù)據(jù)，必須先給 DMA 控制器發(fā)送 DMA 請求，DMA收到請求信號之后，控制器會給外設(shè)一個應(yīng)答信號，當(dāng)外設(shè)應(yīng)答后且 DMA 控制器收到應(yīng)答信號之后，就會啟動 DMA的傳輸，直到傳輸完畢。

2、通道：DMA 具有 12 個獨立可編程的通道，其中 DMA1 有 7 個通道，DMA2 有 5 個通道，每個通道對應(yīng)不同的外設(shè)的 DMA 請求。雖然每個通道可以接收多個外設(shè)的請求，但是同一

時間只能接收一個，不能同時接收多個。

3、仲裁器：當(dāng)發(fā)生多個 DMA 通道請求時，就意味著有先后響應(yīng)處理的順序問題，這個就由仲裁器理。

4、DMA 數(shù)據(jù)配置：DMA 傳輸數(shù)據(jù)的方向有三個——從外設(shè)到存儲器，從存儲器到外設(shè)，從存儲器到存儲器。

USART/I2C/SPI比較

1、通信速率比較：

SPI > I2C > UART

(1)同步通信>異步通信;

(2)同步通信時必須有一根時鐘線連接傳輸?shù)膬啥?

(3)都是串行通信方式，并行通信用于內(nèi)部存儲間的通信，如flash;

(4)適合傳輸?shù)木嚯x和通信速率成反比關(guān)系；

2、連線方式：

SPI：2數(shù)據(jù)線、1時鐘線、1CS(設(shè)備片選線），串行同步通信全雙工；

I2C：1數(shù)據(jù)線、1時鐘線，串行同步通信半雙工，傳輸距離比UART短；

UART：2數(shù)據(jù)線、1地線，串行異步通信全雙工，傳輸距離比I2C長些；

（I2C接口是“器件間”接口，是在一塊板子之內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)）

（UART是 “設(shè)備間”接口，更多的是用于兩臺設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)）