比較嵌入式系統(tǒng)的三種主流協(xié)議

一、簡(jiǎn)介

嵌入式系統(tǒng)依靠各種協(xié)議進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交互。本文深入了解并全面比較了三種著名的協(xié)議：串行外設(shè)接口 (SPI)、內(nèi)部集成電路 (I2C) 和通用異步接收器/發(fā)送器 (UART)。這些協(xié)議中的每一個(gè)都有不同的目的，并具有獨(dú)特的規(guī)范和操作原理。了解這些技術(shù)對(duì)于參與電子設(shè)計(jì)或嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的任何人都至關(guān)重要，因?yàn)檫@些協(xié)議通常構(gòu)成此類(lèi)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備通信的支柱。它們支持微控制器和各種外圍設(shè)備（例如傳感器、存儲(chǔ)設(shè)備和顯示模塊）之間的交互，每種設(shè)備都有獨(dú)特的數(shù)據(jù)傳輸需求。通過(guò)探索他們的工作原理，

2. 什么是SPI（串行外設(shè)接口）？

SPI 是一種同步串行通信接口規(guī)范，主要用于嵌入式系統(tǒng)中的短距離通信。它促進(jìn)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備之間的全雙工通信。該接口以其簡(jiǎn)單性和高效性而著稱(chēng)，使其成為許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員感興趣的選擇。

SPI 基于四個(gè)基本線路：主輸出從輸入 (MOSI)、主輸入從輸出 (MISO)、串行時(shí)鐘 (SCLK) 和從選擇 (SS)。MOSI 線將數(shù)據(jù)從主設(shè)備傳送到從設(shè)備，而 MISO 線則在相反方向上傳送數(shù)據(jù)。由主設(shè)備控制的 SCLK 線對(duì)通信進(jìn)行調(diào)節(jié)，而主設(shè)備使用 SS 線來(lái)選擇要與之通信的從設(shè)備。

2.1. 起源和基本原理

SPI協(xié)議是由摩托羅拉在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)的，SPI旨在為微控制器和外設(shè)之間提供一種簡(jiǎn)單而高效的數(shù)據(jù)交換方式。

從本質(zhì)上講，SPI 通信依賴(lài)于主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)全雙工通信。每個(gè)傳輸至少由兩個(gè)設(shè)備組成：一個(gè)主設(shè)備，用于發(fā)起和控制通信；以及一個(gè)從設(shè)備，用于響應(yīng)主設(shè)備。

在典型的 SPI 傳輸中，主設(shè)備在 SCLK 線上生成時(shí)鐘信號(hào)，并通過(guò)將其 SS 線設(shè)置為低電壓電平來(lái)選擇從設(shè)備。然后主設(shè)備和從設(shè)備同時(shí)交換數(shù)據(jù)，主設(shè)備通過(guò) MOSI 線路向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備通過(guò) MISO 線路向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸根據(jù)需要持續(xù)多個(gè)時(shí)鐘周期，主設(shè)備最終通過(guò)將所選從設(shè)備的 SS 線返回到高電壓電平來(lái)結(jié)束通信。

通過(guò)控制時(shí)鐘信號(hào)和 SS 線，主設(shè)備可以決定通信速度并選擇與哪些設(shè)備進(jìn)行交互，從而使 SPI 成為一種本質(zhì)上靈活且高效的數(shù)據(jù)交換方式。然而，值得注意的是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的 SPI 局限性包括缺乏內(nèi)置錯(cuò)誤檢查機(jī)制以及每個(gè)從設(shè)備需要專(zhuān)用 SS 線。

2.2. SPI通訊協(xié)議

SPI 通信協(xié)議圍繞同步數(shù)據(jù)交換，其中數(shù)據(jù)傳輸與共享時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)聯(lián)。主設(shè)備在SCLK線上產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，確保數(shù)據(jù)傳輸和接收同步。數(shù)據(jù)分別在 MOSI 和 MISO 線路上移入和移出，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)全雙工通信。

為了啟動(dòng)通信，主設(shè)備通過(guò)將其 SS 線拉低來(lái)選擇從設(shè)備。然后主設(shè)備在 MOSI 線上向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)在 MISO 線上從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)。該過(guò)程根據(jù)需要持續(xù)多個(gè)時(shí)鐘周期，主器件通過(guò)將所選從器件的 SS 線返回到高電壓電平來(lái)終止通信。

SPI 通信速度取決于所使用的時(shí)鐘頻率。例如，4 MHz 的時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn) 4 Mbps 的最大數(shù)據(jù)速率。這種高數(shù)據(jù)傳輸速率使 SPI 成為需要快速高效數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用的絕佳選擇。

值得注意的是，SPI 系統(tǒng)中的每個(gè)從設(shè)備都需要來(lái)自主設(shè)備的專(zhuān)用 SS 線。在可用 GPIO 引腳數(shù)量有限的資源受限環(huán)境中必須考慮此限制。

另一個(gè)考慮因素是 SPI 缺乏內(nèi)置的錯(cuò)誤檢查機(jī)制。因此，可能需要在軟件級(jí)別實(shí)施額外的錯(cuò)誤檢查和處理過(guò)程以確保數(shù)據(jù)完整性。

2.3. SPI的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

在評(píng)估 SPI 對(duì)不同應(yīng)用的適用性時(shí)，了解 SPI 的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)至關(guān)重要。以下是需要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)：

2.3.1. SPI的優(yōu)點(diǎn)：

SPI 具有多種優(yōu)勢(shì)，使其成為嵌入式系統(tǒng)中通信的流行選擇。這些優(yōu)勢(shì)包括|：

• 高速數(shù)據(jù)傳輸： 憑借其同步通信機(jī)制，SPI 可實(shí)現(xiàn)快速高效的數(shù)據(jù)傳輸，非常適合需要高速通信的應(yīng)用。與 UART 和 I2C 等其他串行通信協(xié)議相比，SPI 提供明顯更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。例如，時(shí)鐘頻率為 10 MHz，每次傳輸 8 位，可實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)速率為 10 Mbps。這允許主設(shè)備和從設(shè)備之間快速交換數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)整體系統(tǒng)性能。
• 全雙工通信： SPI 的主要優(yōu)勢(shì)之一是它能夠支持同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)主設(shè)備在主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入 (MOSI) 線上向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它可以在同一時(shí)鐘周期內(nèi)通過(guò)主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出 (MISO) 線路從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)。這種全雙工功能在實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)交換至關(guān)重要的應(yīng)用中特別有利，例如傳感器接口或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
• 多功能性和易于實(shí)施： SPI 的簡(jiǎn)單性和靈活性使其在各種嵌入式系統(tǒng)中相對(duì)容易實(shí)施。該接口可以使用微控制器中的專(zhuān)用硬件模塊集成或以軟件實(shí)現(xiàn)，具體取決于應(yīng)用的具體要求。其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和明確定義的通信協(xié)議簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，減少了時(shí)間和精力。此外，許多微控制器提供內(nèi)置 SPI 外設(shè)，無(wú)需額外的外部組件。
• 任意數(shù)據(jù)大小： SPI 對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小沒(méi)有限制。主設(shè)備可以根據(jù)需要繼續(xù)移出數(shù)據(jù)，從而允許傳輸任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。此功能在需要傳輸大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)景（例如內(nèi)存或顯示界面）中尤其有用。此外，SPI支持不同的數(shù)據(jù)格式，包括8位、16位甚至自定義的數(shù)據(jù)格式，提供了滿(mǎn)足各種數(shù)據(jù)要求的靈活性。
• 支持多個(gè)從設(shè)備： SPI 允許同一總線上的一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備之間進(jìn)行通信。每個(gè)從設(shè)備都分配有一條專(zhuān)用的從設(shè)備選擇 (SS) 線，主設(shè)備可以控制該線來(lái)選擇所需的從設(shè)備進(jìn)行通信。這使得系統(tǒng)能夠使用單個(gè) SPI 總線與多個(gè)外設(shè)（例如傳感器、執(zhí)行器或存儲(chǔ)芯片）交互，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并減少所需的通信接口數(shù)量。

2.3.2. SPI的缺點(diǎn)：

盡管有其優(yōu)點(diǎn)，SPI 也有一些限制和需要考慮的因素。這些包括：

• 缺乏內(nèi)置錯(cuò)誤檢查： SPI 的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是缺乏內(nèi)置錯(cuò)誤檢查機(jī)制。雖然其高速通信是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，但它也為由于信號(hào)噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)或電壓尖峰等因素造成的潛在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤留下了空間。在數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要的系統(tǒng)中，可能需要在軟件級(jí)別實(shí)施額外的錯(cuò)誤檢查和處理過(guò)程。這可能涉及校驗(yàn)和、CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）或數(shù)據(jù)包確認(rèn)機(jī)制等技術(shù)，以確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。
• 可擴(kuò)展性有限： 隨著 SPI 總線中設(shè)備數(shù)量的增加，所需從機(jī)選擇 (SS) 線的數(shù)量也會(huì)增加，因?yàn)槊總€(gè)從機(jī)設(shè)備都需要來(lái)自主機(jī)的專(zhuān)用 SS 線。在資源有限的環(huán)境中，這會(huì)很快耗盡可用通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳的數(shù)量。此外，更多數(shù)量的設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致功耗和總線復(fù)雜性增加。因此，在設(shè)計(jì)基于SPI的系統(tǒng)時(shí)，必須仔細(xì)考慮從設(shè)備的數(shù)量和可用資源。
• 不適合長(zhǎng)距離通信： 雖然 SPI 擅長(zhǎng)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的短距離通信，但它不太適合長(zhǎng)距離通信。隨著速度的增加和距離的增加，SPI 變得更容易受到信號(hào)衰減、電磁干擾和時(shí)序問(wèn)題等問(wèn)題的影響。對(duì)于長(zhǎng)距離通信，通常首選速度較慢但更強(qiáng)大的協(xié)議，例如 RS-485 或 CAN，因?yàn)樗鼈兪菍?zhuān)門(mén)為克服這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的。
• 功耗： 在電源效率至關(guān)重要的應(yīng)用中，SPI 可能不是最佳選擇。與 I2C 等其他通信協(xié)議不同，由于 SPI 的同步特性以及每個(gè)從設(shè)備需要額外的 SS 線，因此 SPI 通常需要更多功率。這可能是電池供電設(shè)備或優(yōu)先考慮降低功耗的應(yīng)用中的一個(gè)問(wèn)題。應(yīng)采用謹(jǐn)慎的電源管理技術(shù)來(lái)減輕此限制，例如在不使用時(shí)選擇性地啟用或禁用從屬設(shè)備。

3. 什么是I2C（內(nèi)部集成電路）？

內(nèi)部集成電路（I2C）是一種同步串行通信協(xié)議，最初由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)為恩智浦半導(dǎo)體）于 20 世紀(jì) 80 年代初開(kāi)發(fā)。它專(zhuān)為同一電路板上不同組件之間的短距離板內(nèi)通信而設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)信息交換。I2C 利用時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步，并提供獨(dú)特的功能，允許多個(gè)主設(shè)備和從設(shè)備在單個(gè)通信設(shè)置上共存，從而實(shí)現(xiàn)靈活而復(fù)雜的架構(gòu)。該協(xié)議利用兩條雙向開(kāi)漏線，稱(chēng)為串行數(shù)據(jù)線 (SDA) 和串行時(shí)鐘線 (SCL)，它們通過(guò)電阻上拉并由 I2C 總線上的所有設(shè)備使用?？偩€上的設(shè)備可以充當(dāng)發(fā)送器（主機(jī)）或接收器（從機(jī)）。3.1。起源和基本原理

I2C 協(xié)議由飛利浦半導(dǎo)體于 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā)，作為一種簡(jiǎn)單的板內(nèi)通信解決方案，由于其簡(jiǎn)單性和高效性而獲得廣泛采用。I2C 縮寫(xiě)代表內(nèi)部集成電路，強(qiáng)調(diào)其促進(jìn)同一板上不同集成電路 (IC) 之間通信的目的。

I2C 通信的基本原理圍繞“主設(shè)備”和“從設(shè)備”的概念。主設(shè)備通過(guò)提供時(shí)鐘信號(hào)并控制整個(gè)傳輸過(guò)程來(lái)發(fā)起通信，而從設(shè)備則響應(yīng)主設(shè)備的請(qǐng)求并參與數(shù)據(jù)交換。

I2C 的一個(gè)值得注意的方面是其尋址系統(tǒng)，其中連接到 I2C 總線的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，主設(shè)備使用該地址與其進(jìn)行通信。這種尋址方案允許多個(gè)設(shè)備在總線上共存而不會(huì)發(fā)生沖突，從而促進(jìn)高效可靠的通信。

I2C 通信通過(guò)兩條線進(jìn)行：串行數(shù)據(jù)線 (SDA) 和串行時(shí)鐘線 (SCL)。SDA線負(fù)責(zé)承載數(shù)據(jù)，而SCL線提供同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)。此設(shè)置簡(jiǎn)化了連接過(guò)程并支持并發(fā)傳輸和接收數(shù)據(jù)。I2C 中的數(shù)據(jù)傳輸是面向位的，每個(gè)字節(jié)由八個(gè)數(shù)據(jù)位組成。

作為一種多主協(xié)議，I2C 允許多個(gè)主設(shè)備連接到總線。這種靈活性使任何主站都可以發(fā)起通信，從而使該協(xié)議適合復(fù)雜的系統(tǒng)。此外，I2C 還結(jié)合了總線仲裁和沖突檢測(cè)機(jī)制，以確保多個(gè)主設(shè)備同時(shí)控制總線時(shí)的有序通信。這種穩(wěn)健性有助于提高 I2C 作為通信協(xié)議的多功能性和可靠性。

3.2. I2C通訊協(xié)議

I2C 通信協(xié)議遵循主從配置，其中一個(gè)或多個(gè)主設(shè)備控制一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。主設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)并發(fā)起通信，從設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備的請(qǐng)求并參與數(shù)據(jù)交換。I2C 中的通信是雙向的，允許主設(shè)備和從設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

I2C 的一個(gè)顯著特征是其兩線接口，包括串行數(shù)據(jù)線 (SDA) 和串行時(shí)鐘線 (SCL)。SDA線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，而SCL線提供時(shí)鐘信號(hào)，保證設(shè)備之間的同步。兩條線路都是雙向的，允許數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)。它們是漏極開(kāi)路的，這意味著設(shè)備可以將線路拉低（0 伏）以指示邏輯“0”，或讓它浮高（高達(dá)指定電壓，通常為 3.3V 或 5V）以指示邏輯“1”。上拉電阻是必要的，以確保當(dāng)沒(méi)有設(shè)備主動(dòng)將線路拉低時(shí)，線路返回到高狀態(tài)。

在 I2C 事務(wù)中，主機(jī)通過(guò)創(chuàng)建 START 條件來(lái)啟動(dòng)該過(guò)程，在 SCL 線為高電平時(shí)將 SDA 線拉低。該信號(hào)提醒總線上的所有設(shè)備傳輸即將開(kāi)始。然后，主設(shè)備發(fā)送它想要與之通信的從設(shè)備的 7 位或 10 位地址，并附有一個(gè)指示是否打算寫(xiě)入從設(shè)備 (0) 或從從設(shè)備讀取 (1) 的位。

收到地址后，被尋址的從機(jī)通過(guò)在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖期間將 SDA 線拉低來(lái)確認(rèn)接收。一旦主機(jī)收到此確認(rèn)，它就可以繼續(xù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后面都有一個(gè)確認(rèn)位。當(dāng)主機(jī)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)停止條件，在該條件下，它會(huì)釋放SDA線以使其變?yōu)楦唠娖?，而SCL線保持高電平。

為了保持總線的完整性，I2C 協(xié)議采用了錯(cuò)誤檢查措施。其中包括在多主系統(tǒng)中使用確認(rèn)位以及仲裁和沖突檢測(cè)機(jī)制。即使多個(gè)主設(shè)備爭(zhēng)奪總線控制權(quán)，這些功能也能確保通信平穩(wěn)可靠。

I2C支持不同的速度模式，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。標(biāo)準(zhǔn) I2C 設(shè)備通常支持高達(dá)每秒 100K 位的數(shù)據(jù)速率。快速模式設(shè)備可將其擴(kuò)展至每秒 400K 位，而高速設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高達(dá)每秒 3.4Mbits 的數(shù)據(jù)速率。這些不同的速度模式使 I2C 能夠滿(mǎn)足各種設(shè)備的需求，從較慢、低功耗的組件到更快、更復(fù)雜的設(shè)備。

3.3. I2C的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

3.3.1. I2C的優(yōu)點(diǎn)

• 簡(jiǎn)單性和線路效率： I2C 僅使用兩條線路（SDA（串行數(shù)據(jù)線）和 SCL（串行時(shí)鐘線））提供簡(jiǎn)單而高效的通信解決方案，而與總線上的設(shè)備數(shù)量無(wú)關(guān)。這種簡(jiǎn)單性降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，最大限度地減少了 PCB（印刷電路板）上的連接器和走線數(shù)量，從而節(jié)省了成本并實(shí)現(xiàn)了緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
• 多主多從配置： I2C支持多主多從配置，允許多個(gè)主設(shè)備與同一總線上的多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信。這種靈活性使得分布式處理架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)成為可能，其中多個(gè)微控制器、傳感器和其他外設(shè)可以無(wú)縫地交換數(shù)據(jù)。它促進(jìn)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的并行通信通道和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。
• 尋址方案： I2C 采用內(nèi)置尋址方案，可實(shí)現(xiàn)主設(shè)備和指定從設(shè)備之間的直接通信，無(wú)需額外的線路來(lái)選擇設(shè)備。每個(gè) I2C 設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，通常為 7 或 10 位長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)路由，并且無(wú)需手動(dòng)配置或外部解碼邏輯。該尋址方案在單個(gè)總線上支持多達(dá) 128 個(gè)（7 位尋址）或 1024 個(gè)（10 位尋址）設(shè)備。
• 速度模式： I2C 支持不同的速度模式，以適應(yīng)各種設(shè)備和應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)模式（高達(dá)每秒 100K 位）適合速度較慢的外設(shè)和低功耗組件?？焖倌Ｊ剑ǜ哌_(dá)每秒 400K 位）可實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸，使其適合中速設(shè)備。高速模式（高達(dá)每秒 3.4Mbits）可滿(mǎn)足需要設(shè)備之間快速數(shù)據(jù)交換的高性能應(yīng)用程序的需求。選擇合適的速度模式取決于系統(tǒng)的具體要求。
• 同步通信： I2C 是一種同步通信協(xié)議，這意味著它依靠時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，保證精確的時(shí)序協(xié)調(diào)。這種同步可以實(shí)現(xiàn)可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)于數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要的應(yīng)用至關(guān)重要。I2C 的同步特性簡(jiǎn)化了通信接口的設(shè)計(jì)并有利于錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正。

3.3.2. I2C的缺點(diǎn)

• 距離限制： I2C 主要設(shè)計(jì)用于單個(gè)電路板內(nèi)或位置較近的組件之間的短距離通信?？偩€的電容和上拉電阻的電阻限制了可實(shí)現(xiàn)的最大通信距離。隨著 SDA 和 SCL 線長(zhǎng)度的增加，總電容也會(huì)增加，從而導(dǎo)致上升時(shí)間變慢和潛在的信號(hào)衰減。對(duì)于長(zhǎng)距離通信，其他協(xié)議，如 UART（通用異步接收器/發(fā)送器）或 SPI（串行外設(shè)接口）可能更合適。
• 速度限制： 雖然 I2C 支持不同的速度模式，但其高速模式（高達(dá)每秒 3.4Mbits）可能與 SPI 等其他協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率不匹配。需要極高速通信的應(yīng)用程序可能會(huì)受益于提供更快數(shù)據(jù)速率的替代協(xié)議。然而，在選擇通信協(xié)議時(shí)，考慮速度、復(fù)雜性和系統(tǒng)要求之間的權(quán)衡非常重要。
• 上拉電阻： I2C 需要使用連接到 SDA 和 SCL 線的上拉電阻。這些電阻器維持總線上默認(rèn)的高邏輯電平。選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚祵?duì)于確?？煽康男盘?hào)電平和正確的總線操作至關(guān)重要。電阻值不足或過(guò)高都會(huì)影響信號(hào)完整性并導(dǎo)致通信錯(cuò)誤。上拉電阻值的計(jì)算取決于總線電容、所需上升時(shí)間和電源電壓等因素。
• 尋址限制： I2C 協(xié)議支持有限數(shù)量的唯一地址，通常為 7 或 10 位長(zhǎng)，這限制了可連接到單個(gè)總線的設(shè)備的最大數(shù)量。在設(shè)備數(shù)量較多的場(chǎng)景下，可能會(huì)出現(xiàn)地址沖突，需要采取地址復(fù)用或協(xié)議轉(zhuǎn)換器等額外措施來(lái)克服限制。仔細(xì)規(guī)劃和考慮設(shè)備尋址方案對(duì)于避免沖突并確保成功通信至關(guān)重要。
• 時(shí)鐘拉伸： I2C 允許從設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸期間通過(guò)稱(chēng)為時(shí)鐘拉伸的機(jī)制減慢主設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)。雖然時(shí)鐘拉伸可確保同步并防止數(shù)據(jù)丟失，但它可能會(huì)引入時(shí)序延遲，從而影響整體系統(tǒng)性能，尤其是在時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用中。正確處理時(shí)鐘拉伸并理解其對(duì)系統(tǒng)時(shí)序的影響對(duì)于可靠的 I2C 通信非常重要。

4. 什么是UART（通用異步接收器/發(fā)送器）？

UART 是通用異步接收器/發(fā)送器的縮寫(xiě)，是廣泛用于異步串行通信的基本硬件通信協(xié)議。它作為微控制器和外圍設(shè)備之間的重要接口，促進(jìn)通過(guò)串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)交換。

UART 的核心是將來(lái)自處理器的數(shù)據(jù)字節(jié)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)位流，然后通過(guò)單條通信線路串行傳輸。類(lèi)似地，傳入的數(shù)據(jù)以相反的順序轉(zhuǎn)換以供接收設(shè)備處理。與同步通信協(xié)議不同，UART 不依賴(lài)共享時(shí)鐘信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

通過(guò) UART 傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)字都由各種組件組成。它以起始位開(kāi)始，指示數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。數(shù)據(jù)位跟隨起始位并代表正在傳輸?shù)膶?shí)際信息?？蛇x奇偶校驗(yàn)位可用于錯(cuò)誤檢測(cè)，使接收器能夠識(shí)別并糾正傳輸錯(cuò)誤。最后，一個(gè)或兩個(gè)停止位標(biāo)記數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，在傳輸下一幀之前提供必要的時(shí)間間隙。

UART 在嵌入式系統(tǒng)中無(wú)處不在，在工業(yè)自動(dòng)化、電信、汽車(chē)電子和消費(fèi)電子等不同領(lǐng)域都有應(yīng)用。它們?cè)谖⒖刂破髋c傳感器、顯示器、內(nèi)存模塊和無(wú)線收發(fā)器等外圍設(shè)備之間的通信方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

4.1. 起源和基本原理

UART 技術(shù)的起源可以追溯到計(jì)算的早期，當(dāng)時(shí)獨(dú)立的 UART 芯片在 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)發(fā)出來(lái)。隨著集成電路的進(jìn)步，UART 功能被集成到微控制器和微處理器中，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的實(shí)施。

UART 基于兩個(gè)移位寄存器之間的交互進(jìn)行操作：發(fā)送移位寄存器 (TSR) 和接收移位寄存器 (RSR)。該過(guò)程從處理器將一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送保持寄存器（THR）開(kāi)始。然后，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)桨l(fā)送移位寄存器 (TSR)，在那里進(jìn)行串行化，將其轉(zhuǎn)換為包含起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位的連續(xù)位流。

串行化數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸數(shù)據(jù) (TXD) 線以波特率發(fā)生器確定的速度逐位傳輸。波特率發(fā)生器由可編程時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸率，通常稱(chēng)為波特率。在接收端，UART 設(shè)備捕獲來(lái)自接收數(shù)據(jù) (RXD) 線的傳入位，在接收移位寄存器 (RSR) 內(nèi)執(zhí)行反序列化，并將數(shù)據(jù)字節(jié)存儲(chǔ)在接收緩沖寄存器 (RBR) 中，以供后續(xù)處理。處理器。

UART 的硬件實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)高效、自主的數(shù)據(jù)傳輸，減輕處理器處理低級(jí)通信任務(wù)的負(fù)擔(dān)。UART 通信的這種異步特性使處理器能夠?qū)Ｗ⒂趫?zhí)行更高級(jí)別的功能，并增強(qiáng)系統(tǒng)的整體性能和響應(yīng)能力。

4.2. UART通訊協(xié)議

UART通信協(xié)議的特點(diǎn)是通過(guò)兩條專(zhuān)用線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)：發(fā)送（TX）線和接收（RX）線。與依賴(lài)共享時(shí)鐘信號(hào)的同步通信協(xié)議不同，UART 以異步模式運(yùn)行，兩個(gè)通信設(shè)備在啟動(dòng)通信之前必須就波特率達(dá)成一致。

UART 數(shù)據(jù)幀由多個(gè)組件組成。它以起始位開(kāi)始，該起始位始終設(shè)置為邏輯低 (0)，并用作指示數(shù)據(jù)幀開(kāi)始的信號(hào)機(jī)制。在起始位之后，實(shí)際數(shù)據(jù)位以順序方式傳輸，范圍從 5 到 9 位，具體取決于配置?？梢园粋€(gè)可選的奇偶校驗(yàn)位，用于錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正目的。奇偶校驗(yàn)位允許接收器通過(guò)檢查奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤來(lái)驗(yàn)證接收數(shù)據(jù)的完整性。

在數(shù)據(jù)位之后，一或兩個(gè)停止位標(biāo)記數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。這些停止位始終設(shè)置為邏輯高 (1)，并在連續(xù)數(shù)據(jù)幀之間提供時(shí)間間隙，確保發(fā)送器和接收器之間的正確同步。

在數(shù)據(jù)傳輸期間，UART發(fā)送器將傳輸線從空閑狀態(tài)（邏輯高）拉至起始位（邏輯低），指示數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。然后接收器以商定的波特率讀取后續(xù)位。接收到數(shù)據(jù)位后，接收器預(yù)計(jì)會(huì)遇到設(shè)置為邏輯高的停止位。如果接收到的位不高，則表明傳輸錯(cuò)誤。

UART 通信的顯著特征之一是其全雙工性質(zhì)，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這是通過(guò)單獨(dú)的發(fā)送和接收線路實(shí)現(xiàn)的，允許雙向數(shù)據(jù)流。此外，UART通信協(xié)議支持設(shè)備到設(shè)備通信，無(wú)需主從配置，適合各種應(yīng)用。

憑借其簡(jiǎn)單性、多功能性和廣泛采用，UART 仍然是嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的重要通信協(xié)議，并在微控制器和外圍設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫數(shù)據(jù)交換方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

4.3. UART的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

4.3.1. UART的優(yōu)點(diǎn)

• 實(shí)施簡(jiǎn)單方便： UART 通信實(shí)施起來(lái)很簡(jiǎn)單，只需要兩根線即可實(shí)現(xiàn)完整的雙工數(shù)據(jù)傳輸（TX 和 RX 線）。這種簡(jiǎn)單性使得系統(tǒng)設(shè)置變得簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效，尤其是在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中。
• 全雙工通信： UART 可同時(shí)接收和傳輸數(shù)據(jù)，從而有效利用通信線路。兩個(gè)設(shè)備都可以獨(dú)立發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，無(wú)需顯式握手。
• 獨(dú)立操作： 沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)簡(jiǎn)化了接線，并允許設(shè)備獨(dú)立工作，最大限度地減少同步問(wèn)題。每個(gè)設(shè)備都基于其內(nèi)部時(shí)鐘運(yùn)行，使得 UART 非常適合設(shè)備具有不同時(shí)鐘源或時(shí)鐘同步具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。
• 支持更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀： UART 支持具有 5 至 9 個(gè)數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)幀，提供了在特定應(yīng)用中適應(yīng)不同數(shù)據(jù)大小的靈活性。當(dāng)處理非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式或需要大量位數(shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)時(shí)，此功能特別有用。
• 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信： UART 有助于兩個(gè)設(shè)備之間的直接通信，無(wú)需主設(shè)備或從設(shè)備配置。它允許點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，使設(shè)備能夠在沒(méi)有中央控制單元的情況下無(wú)縫交換數(shù)據(jù)。這使得 UART 適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備互連等應(yīng)用。

4.3.2. UART的缺點(diǎn)

• 同步要求： UART 的異步特性需要將接收器和發(fā)送器預(yù)設(shè)為相同的波特率，以便正確傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)速率不斷變化的情況下或設(shè)備以不同時(shí)鐘速度運(yùn)行時(shí)，此要求可能不切實(shí)際。在這種情況下，可能需要額外的措施，例如動(dòng)態(tài)波特率調(diào)整或流量控制協(xié)議。
• 潛在的同步問(wèn)題： 如果通信設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)鐘存在變化，則缺乏專(zhuān)用時(shí)鐘線可能會(huì)導(dǎo)致同步問(wèn)題。時(shí)鐘漂移或時(shí)鐘源不一致會(huì)導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)誤并影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
• 有限的錯(cuò)誤檢測(cè)： UART 的錯(cuò)誤檢測(cè)僅限于奇偶校驗(yàn)，奇偶校驗(yàn)會(huì)向數(shù)據(jù)幀添加一個(gè)額外的位以用于錯(cuò)誤檢測(cè)。然而，奇偶校驗(yàn)只能檢測(cè)奇數(shù)或偶數(shù)個(gè)位錯(cuò)誤，并且不如循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 等更高級(jí)的錯(cuò)誤檢查方法強(qiáng)大。此限制可能會(huì)導(dǎo)致未檢測(cè)到的錯(cuò)誤，特別是在容易出現(xiàn)高水平噪聲或干擾的環(huán)境中。
• 缺乏尋址： UART 本身并不支持尋址，這使得在同一總線上本地容納多個(gè)設(shè)備變得具有挑戰(zhàn)性。如果沒(méi)有尋址，總線上的所有設(shè)備都會(huì)接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，需要額外的機(jī)制（例如基于軟件的尋址）來(lái)區(qū)分和處理預(yù)期數(shù)據(jù)。
• 速度有限： UART 的速度受到其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的限制。雖然這種限制對(duì)于慢速通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但對(duì)于高速應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)重大限制。例如，標(biāo)準(zhǔn) UART 接口可能支持每秒 115200 位的最大速度（波特率），這對(duì)于某些高速應(yīng)用（如實(shí)時(shí)系統(tǒng)或高速數(shù)據(jù)記錄）可能不夠。在這種情況下，替代通信協(xié)議或更高速的接口（例如 SPI 或以太網(wǎng)）可能更合適。

5. 詳細(xì)比較：SPI、I2C、UART

5.1. 速度和數(shù)據(jù)吞吐量

速度

在比較原始數(shù)據(jù)速度時(shí)，SPI 成為三者中最快的協(xié)議。它的時(shí)鐘速度高達(dá) 10 MHz，并且可以在某些微控制器上實(shí)現(xiàn)更高的速度。接下來(lái)是 I2C，提供 100 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)模式運(yùn)行速度、400 kHz 的快速模式以及速度高達(dá) 3.4 MHz 的高速模式。另一方面，UART 通常以 9600、19200 或 115200 比特每秒 (bps) 等速度運(yùn)行，使其成為三者中最慢的。

數(shù)據(jù)吞吐量

數(shù)據(jù)吞吐量不僅受到速度的影響，還受到速度利用效率的影響。SPI是全雙工協(xié)議，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，效率很高。此外，由于 SPI 不使用尋址，因此避免了傳輸?shù)刂纷止?jié)的開(kāi)銷(xiāo)，從而進(jìn)一步提高了吞吐量。

相比之下，I2C 作為半雙工協(xié)議運(yùn)行，在其通信中包含地址和確認(rèn)位。盡管時(shí)鐘速度不錯(cuò)，但這會(huì)帶來(lái)額外的開(kāi)銷(xiāo)并降低數(shù)據(jù)吞吐量。雖然 I2C 確實(shí)支持多主機(jī)設(shè)置，但仲裁和沖突檢測(cè)的需求可能會(huì)進(jìn)一步降低有效數(shù)據(jù)吞吐量。

UART 與 SPI 類(lèi)似，作為全雙工協(xié)議運(yùn)行。然而，它通常以較慢的速度運(yùn)行。此外，UART 在每個(gè)數(shù)據(jù)幀中包含起始位和停止位以實(shí)現(xiàn)同步，這會(huì)增加開(kāi)銷(xiāo)并降低有效數(shù)據(jù)吞吐量。

5.2. 能量消耗

在嵌入式系統(tǒng)中，特別是在電池供電的應(yīng)用中，考慮通信協(xié)議的功耗至關(guān)重要。SPI 的功耗

SPI 具有高時(shí)鐘速度和全雙工通信，通常會(huì)導(dǎo)致更高的功耗。每次數(shù)據(jù)傳輸都涉及時(shí)鐘脈沖，時(shí)鐘速度越高，消耗的功率就越多。此外，SPI 需要多條線路進(jìn)行通信，每條線路都會(huì)增加功耗。不過(guò)，SPI 確實(shí)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它不一定需要在數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線上加上拉電阻，這與 I2C 不同，可以在一定程度上降低功耗。建議查閱所使用的特定 SPI 設(shè)備的數(shù)據(jù)表以了解詳細(xì)的功耗規(guī)格。I2C 的功耗

由于速度較慢，I2C 的功耗比 SPI 低。此外，其兩線配置需要維護(hù)的線路更少，從而降低了靜態(tài)功耗。然而，I2C 中數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線上需要上拉電阻，這會(huì)增加其功耗。I2C的功耗根據(jù)上拉電阻值和總線電容等因素而變化。對(duì)于精確的功耗數(shù)據(jù)，建議參考 I2C 器件的數(shù)據(jù)表。

UART的功耗

UART 的功耗通常低于 SPI 和 I2C，主要是因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)速率較慢。每單位時(shí)間的轉(zhuǎn)換越少，動(dòng)態(tài)功耗就越低。然而，在空閑模式下，UART 可能會(huì)消耗更多功率，因?yàn)樗鼘⒕€路保持在邏輯“高”狀態(tài)。然而，許多 UART 實(shí)現(xiàn)都包含省電模式，例如睡眠模式，當(dāng) UART 不主動(dòng)傳輸時(shí)，該模式可顯著降低功耗。詳細(xì)功耗信息建議參考具體UART器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。5.3．復(fù)雜性和易于實(shí)施

在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的復(fù)雜性取決于多種因素，包括要連接的設(shè)備數(shù)量、錯(cuò)誤檢查的需要、硬件支持的可用性以及編程支持的級(jí)別

SPI 的復(fù)雜性和易于實(shí)施

SPI 實(shí)現(xiàn)屬于中等復(fù)雜度范圍。每個(gè)設(shè)備需要四根電線，這會(huì)使硬件設(shè)計(jì)變得麻煩，特別是當(dāng)涉及多個(gè)設(shè)備時(shí)。然而，只要一次只有一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，無(wú)需尋址就可以使代碼實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單。值得注意的是，SPI 通常需要更多的軟件控制，特別是在處理多個(gè)設(shè)備時(shí)，因?yàn)槲⒖刂破鞅仨毠芾韱为?dú)的片選 (CS) 線。使用 Arduino 或類(lèi)似的微控制器可以通過(guò)社區(qū)提供的可用庫(kù)和示例代碼來(lái)簡(jiǎn)化流程。

I2C 的復(fù)雜性和易于實(shí)施

I2C 在復(fù)雜性和易于實(shí)現(xiàn)之間取得了平衡。其兩線接口簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，尤其是在涉及多個(gè)設(shè)備的設(shè)置中。然而，其尋址方案以及啟動(dòng)和停止條件的管理增加了軟件方面的復(fù)雜性。盡管如此，I2C 的內(nèi)置錯(cuò)誤檢查功能（例如確認(rèn) (ACK) 位和仲裁）可以簡(jiǎn)化魯棒通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。參考特定 I2C 設(shè)備的數(shù)據(jù)表并利用 Arduino 或其他微控制器的可用 I2C 庫(kù)可以幫助實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

UART 的復(fù)雜性和實(shí)施的簡(jiǎn)易性

UART 接口是實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單的接口之一，使其成為直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的有吸引力的選擇。兩線接口由發(fā)送線和接收線組成，設(shè)置簡(jiǎn)單，并且缺少時(shí)鐘信號(hào)簡(jiǎn)化了時(shí)序問(wèn)題。然而，UART 缺乏內(nèi)置的錯(cuò)誤檢查機(jī)制。因此，如果需要錯(cuò)誤檢查，則必須考慮額外的軟件復(fù)雜性。此外，使用 UART 進(jìn)行多設(shè)備通信并不像使用 SPI 和 I2C 那樣簡(jiǎn)單，因?yàn)樗ǔＰ枰~外的硬件或復(fù)雜的軟件層來(lái)實(shí)現(xiàn)。參考特定 UART 設(shè)備的數(shù)據(jù)表并利用 Arduino 或其他微控制器的可用 UART 庫(kù)可以幫助實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

6. 實(shí)際應(yīng)用和用例

6.1. SPI應(yīng)用

實(shí)時(shí)系統(tǒng)

在低延遲通信至關(guān)重要的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，SPI 的全雙工同步操作可提供所需的性能。例如，在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中，通常需要從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。SPI 的快速、并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸和接收能力使其成為此類(lèi)應(yīng)用的合適選擇。

此外，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，例如機(jī)器人系統(tǒng)或工業(yè)自動(dòng)化，SPI可用于中央處理單元（CPU）和各種外設(shè)之間的高速通信。這樣可以有效交換傳感器數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和執(zhí)行器命令，從而實(shí)現(xiàn)精確、及時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)。

數(shù)據(jù)流

SPI 也常用于數(shù)據(jù)流應(yīng)用，特別是在多媒體和音頻/視頻處理領(lǐng)域。一個(gè)這樣的例子是將音頻或視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄幗獯a器。鑒于其高速數(shù)據(jù)傳輸速率，SPI 可以輕松處理高比特率數(shù)據(jù)流。一個(gè)值得注意的例子是某些媒體播放器中的 MP3 音頻解碼，其中解碼的音頻數(shù)據(jù)使用 SPI 從微控制器發(fā)送到 DAC。

此外，SPI 的全雙工特性允許同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收，使其適合實(shí)時(shí)音頻處理應(yīng)用。例如，在音頻混合器或數(shù)字音頻工作站中，SPI 可用于在不同處理模塊之間交換多個(gè)音頻通道或與外部音頻接口連接。

SD 卡和 LCD

SPI 協(xié)議廣泛應(yīng)用于 SD 卡和液晶顯示 (LCD) 模塊等外設(shè)。對(duì)于 SD 卡，SPI 允許高速數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀取，這對(duì)于需要大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的應(yīng)用至關(guān)重要。這在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)中尤其重要，其中數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)對(duì)于捕獲和分析傳感器數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

同樣，LCD 模塊通常利用 SPI 進(jìn)行快速數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)快速屏幕刷新，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和響應(yīng)式顯示更新。這對(duì)于需要實(shí)時(shí)信息顯示的應(yīng)用尤其重要，例如醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制面板和消費(fèi)電子產(chǎn)品。

6.2. I2C 應(yīng)用

傳感器集成

I2C 的主要應(yīng)用之一是將各種傳感器集成到系統(tǒng)中。傳感器通常以相對(duì)較低的速率輸出數(shù)據(jù)，因此 I2C 的速度綽綽有余。例如，氣象站或可穿戴設(shè)備中的溫度傳感器、濕度傳感器或加速度計(jì)通常采用 I2C 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破?。這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，因?yàn)橹恍鑳筛娋€即可連接多個(gè)傳感器。

此外，I2C 對(duì)多主配置的支持可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳感器和中央處理單元 (CPU) 之間的高效通信。CPU 可以通過(guò)順序?qū)ぶ凡z索所需信息來(lái)訪問(wèn)來(lái)自多個(gè) I2C 設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)全面的環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制。

低速外圍設(shè)備

I2C 協(xié)議經(jīng)常用于連接需要與微控制器進(jìn)行可靠通信的低速外圍設(shè)備。這些設(shè)備可包括數(shù)字電位計(jì)、EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和各種類(lèi)型的傳感器。例如，通過(guò) I2C 連接的數(shù)字電位器可用于控制音頻放大器的音量。在這種情況下，I2C 的速度（在快速模式下高達(dá) 400kHz 或 1MHz）足以滿(mǎn)足該目的，并且在同一總線上輕松連接多個(gè)設(shè)備是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。

此外，I2C 對(duì)時(shí)鐘拉伸的支持允許外圍設(shè)備在需要更多時(shí)間處理數(shù)據(jù)或完成操作時(shí)暫時(shí)減慢總線速度。此功能可確保微控制器和外圍設(shè)備之間可靠且同步的通信，從而增強(qiáng)整體系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

機(jī)載通訊

I2C 也是設(shè)備不同組件之間板載通信的常見(jiàn)選擇，例如主板上或嵌入式系統(tǒng)內(nèi)不同 IC 之間的通信。在這種情況下，組件之間的距離較短，使得 I2C 相對(duì)較低的速度不再是問(wèn)題，而它僅用兩條總線連接多個(gè)設(shè)備的能力在降低布線復(fù)雜性方面提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。

例如，在復(fù)雜的 IoT 設(shè)備或智能家居自動(dòng)化系統(tǒng)中，I2C 可用于在微控制器、傳感器、執(zhí)行器和顯示模塊之間建立通信。這可以實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間的無(wú)縫數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)，從而促進(jìn)高效的控制、監(jiān)控和用戶(hù)交互。

6.3. 串口應(yīng)用

GPS接收器

UART 廣泛應(yīng)用于與 GPS 接收器的通信。GPS 模塊通常以與 UART 通信速度兼容的低波特率輸出位置信息。具有 GPS 模塊的系統(tǒng)通常會(huì)使用 UART 來(lái)接收位置數(shù)據(jù)、執(zhí)行必要的計(jì)算或處理，并可能將配置數(shù)據(jù)發(fā)送到 GPS 模塊。UART 通信簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)特性以及不需要時(shí)鐘同步的事實(shí)非常適合此類(lèi)應(yīng)用。

此外，UART 的靈活性允許與其他導(dǎo)航相關(guān)傳感器（例如羅盤(pán)或陀螺儀）輕松集成，為車(chē)輛跟蹤、導(dǎo)航系統(tǒng)和無(wú)人機(jī) (UAV) 等應(yīng)用提供全面的定位和方向信息。

微控制器到微控制器通信

UART 也常用于兩個(gè)微控制器之間的通信。如果兩個(gè)設(shè)備需要交換適量的數(shù)據(jù)并且彼此距離相當(dāng)近，則 UART 是一個(gè)可靠的選擇。沒(méi)有時(shí)鐘線可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并可能節(jié)省硬件資源。UART可以直接連接兩個(gè)微控制器，也可以使用藍(lán)牙等無(wú)線模塊建立連接。

在復(fù)雜的系統(tǒng)中，多個(gè)微控制器需要協(xié)作和共享數(shù)據(jù)，UART可以用作相互通信通道，實(shí)現(xiàn)不同單元之間的同步、任務(wù)分配和數(shù)據(jù)交換。這在分布式控制系統(tǒng)、機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)，這些應(yīng)用需要多個(gè)處理單元之間的無(wú)縫協(xié)調(diào)。

調(diào)試和診斷端口

在許多嵌入式系統(tǒng)中，UART被用作調(diào)試端口。工程師使用這些端口打印調(diào)試信息、檢查各種系統(tǒng)組件的狀態(tài)并執(zhí)行其他診斷任務(wù)。例如，在嵌入式設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程中，有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的有價(jià)值的信息被打印到 UART 控制臺(tái)。較慢的數(shù)據(jù)速率和簡(jiǎn)單的通信協(xié)議足以實(shí)現(xiàn)此目的，并且不需要額外的時(shí)鐘信號(hào)或同步對(duì)于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

UART 作為調(diào)試和診斷端口的作用超出了最初的開(kāi)發(fā)階段。它允許實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)行為、識(shí)別潛在問(wèn)題或錯(cuò)誤，并提供用于固件更新或配置更改的界面。這有助于在嵌入式系統(tǒng)的整個(gè)使用壽命期間對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和故障排除。

電腦周邊設(shè)備

UART 作為 PC 接口的傳統(tǒng)在許多現(xiàn)代設(shè)備中仍然存在。它可以在老式鼠標(biāo)、鍵盤(pán)甚至打印機(jī)中找到。此外，一些與 PC 接口的現(xiàn)代外設(shè)（例如某些類(lèi)型的傳感器或開(kāi)發(fā)板）可能會(huì)使用 UART 進(jìn)行通信，無(wú)論是本機(jī)還是通過(guò) USB 轉(zhuǎn) UART 橋接器。它提供了一種簡(jiǎn)單可靠的通信機(jī)制，可以以最小的開(kāi)銷(xiāo)輕松實(shí)現(xiàn)。

UART與PC的兼容性及其標(biāo)準(zhǔn)化接口使其成為將各種外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)的便捷選擇。從鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等輸入設(shè)備到顯示器和打印機(jī)等輸出設(shè)備，UART 可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫數(shù)據(jù)傳輸和控制，確保用戶(hù)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間可靠且高效的交互。

7. 選擇正確的協(xié)議：SPI、I2C、UART 速度要求和數(shù)據(jù)傳輸速度

選擇通信協(xié)議時(shí)，設(shè)備的速度要求是一個(gè)關(guān)鍵因素。SPI 在高速數(shù)據(jù)傳輸方面表現(xiàn)突出，數(shù)據(jù)速率通常達(dá)到 10 MHz 甚至更高。這使得 SPI 成為需要快速高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用的理想選擇。另一方面，UART 更適合低速應(yīng)用，典型數(shù)據(jù)速率約為 115200 bps。UART的數(shù)據(jù)傳輸速度使其適合需要交換中等數(shù)據(jù)量的場(chǎng)景。I2C 介于兩者之間，在高速模式下提供的最大數(shù)據(jù)速率為 3.4 Mbps。雖然不如 SPI 快，但 I2C 的數(shù)據(jù)傳輸速度仍然足以滿(mǎn)足許多應(yīng)用的需要。

數(shù)據(jù)完整性和錯(cuò)誤檢測(cè)

確保數(shù)據(jù)完整性對(duì)于通信協(xié)議至關(guān)重要。SPI雖然缺乏固有的錯(cuò)誤檢查機(jī)制，但通過(guò)其全雙工通信模式提供即時(shí)反饋。這允許接收設(shè)備驗(yàn)證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。相比之下，I2C 和 UART 都具有內(nèi)置的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。I2C 使用確認(rèn)位來(lái)確認(rèn)每個(gè)字節(jié)的接收，提供了確保數(shù)據(jù)完整性的可靠方法。UART 使用奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，允許接收設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中檢測(cè)并糾正錯(cuò)誤。

設(shè)備數(shù)量以及多主設(shè)備與單主設(shè)備

可連接到通信總線的設(shè)備數(shù)量是一個(gè)重要的考慮因素。I2C 支持總線上的多個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都有唯一的地址。這使得 I2C 非常適合多個(gè)傳感器或外設(shè)需要與中央微控制器通信的應(yīng)用。SPI 還可以通過(guò)為每個(gè)設(shè)備使用單獨(dú)的從選擇線來(lái)容納多個(gè)設(shè)備，從而允許根據(jù)需要與各個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。然而，隨著設(shè)備數(shù)量的增加，管理專(zhuān)用從選擇線可能變得具有挑戰(zhàn)性，從而導(dǎo)致可擴(kuò)展性問(wèn)題。UART 是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議，如果沒(méi)有額外的硬件或軟件管理，它本身并不支持多個(gè)設(shè)備。它主要設(shè)計(jì)用于兩個(gè)設(shè)備之間的直接通信。

功耗和電源效率

功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素，特別是在低功耗應(yīng)用或電池供電的設(shè)備中。I2C 具有開(kāi)漏總線架構(gòu)，需要上拉電阻來(lái)保持信號(hào)完整性。與 SPI 或 UART 相比，這可能會(huì)導(dǎo)致更高的功耗。然而，值得注意的是，通信協(xié)議的功耗還取決于其他因素，例如工作頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率。在高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用中，SPI 由于其較高的時(shí)鐘頻率可能會(huì)消耗更多功率。因此，在評(píng)估電源效率時(shí)，必須考慮應(yīng)用的具體要求和限制。

易于實(shí)施和硬件資源

實(shí)施通信協(xié)議的難易程度是另一個(gè)關(guān)鍵因素。UART 的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗恍枰獙?zhuān)用的時(shí)鐘線。然而，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議可能會(huì)使軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜化，特別是在不同制造商的設(shè)備之間建立通信時(shí)。SPI 需要更多引腳進(jìn)行通信，通常使用單獨(dú)的線路進(jìn)行主輸出、主輸入和從輸出。盡管有額外的引腳，SPI 仍提供了直接且高效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，使其更易于實(shí)現(xiàn)。I2C 需要較少的通信線路，并具有可尋址總線上多個(gè)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。然而，對(duì)唯一地址的需求以及 I2C 協(xié)議的復(fù)雜性可能會(huì)在實(shí)施過(guò)程中帶來(lái)挑戰(zhàn)。此外，

選擇合適的通信協(xié)議，無(wú)論是SPI、I2C還是UART，取決于多種因素，包括所需的數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)據(jù)完整性需求、要連接的設(shè)備數(shù)量、功耗限制、實(shí)施的難易程度、以及可用的硬件資源。通過(guò)仔細(xì)評(píng)估這些因素，設(shè)計(jì)人員可以確定符合其應(yīng)用特定要求的最合適的協(xié)議。

八、結(jié)論

**#樂(lè)享周末分享吧#**通信協(xié)議 SPI、I2C 和 UART 在嵌入式系統(tǒng)的操作中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在設(shè)計(jì)需要在組件之間進(jìn)行高效數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)時(shí)，了解這些協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)至關(guān)重要。SPI 擅長(zhǎng)高速通信，使其適用于快速并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要的應(yīng)用。I2C 的優(yōu)點(diǎn)是可以用更少的資源尋址多個(gè)設(shè)備，從而提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。當(dāng)需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，尤其是在需要可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮^長(zhǎng)距離上，UART 脫穎而出。

九. 常見(jiàn)問(wèn)題 (FAQ)

Q1：SPI如何處理與多個(gè)從設(shè)備的通信？

在 SPI 中，與多個(gè)從設(shè)備的通信通過(guò)單獨(dú)的從選擇 (SS) 線進(jìn)行管理。連接到 SPI 總線的每個(gè)從設(shè)備都有其專(zhuān)用的 SS 線。主設(shè)備通過(guò)將其 SS 線拉低來(lái)選擇特定的從設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)與該特定從設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

Q2：I2C和SPI可以在同一個(gè)系統(tǒng)中一起工作嗎？

是的，I2C 和 SPI 可以在同一系統(tǒng)中共存，因?yàn)樗鼈儽舜霜?dú)立運(yùn)行。某些組件可以使用 I2C，而其他組件則可以使用 SPI。然而，需要仔細(xì)管理共享總線以避免沖突并確保設(shè)備之間的正確通信。

Q3：為什么UART不需要時(shí)鐘線？

UART 不需要專(zhuān)用時(shí)鐘線，因?yàn)樗钱惒酵ㄐ艆f(xié)議。發(fā)送和接收設(shè)備不依賴(lài)共享時(shí)鐘信號(hào)，而是就數(shù)據(jù)傳輸?shù)念A(yù)定波特率達(dá)成一致。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)由起始位和停止位組成，允許接收設(shè)備識(shí)別和解釋傳入的數(shù)據(jù)。

Q4：為什么SPI比I2C和UART更快？

由于多種因素，與 I2C 和 UART 相比，SPI 實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。首先，SPI 在其數(shù)據(jù)幀中不攜帶尋址信息，從而更有效地利用帶寬。其次，SPI以全雙工模式運(yùn)行，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。此外，SPI 使用的時(shí)鐘速度通常高于 I2C 和 UART，進(jìn)一步提高了其更快的性能。

Q5：I2C 如何處理總線上的沖突？

I2C 采用沖突處理機(jī)制來(lái)解決總線上的沖突。如果兩個(gè)設(shè)備同時(shí)開(kāi)始傳輸，就會(huì)發(fā)生沖突。在這種情況下，發(fā)送“1”的設(shè)備而另一個(gè)發(fā)送“0”的設(shè)備將失去仲裁。失敗的設(shè)備檢測(cè)到?jīng)_突并立即停止傳輸，從而允許獲勝的設(shè)備繼續(xù)不間斷地通信。