SPI、UART、I2C通信協(xié)議的區(qū)別

電子設備之間的通信就像人類之間的交流，雙方都需要說相同的語言。在電子產品中，這些語言稱為通信協(xié)議。

之前有單獨地分享了SPI、UART、I2C通信的文章，這篇對它們做一些對比。

串行 VS 并行

電子設備通過發(fā)送數(shù)據(jù)位從而實現(xiàn)相互交談。位是二進制的，只能是1或0。通過電壓的快速變化，位從一個設備傳輸?shù)搅硪粋€設備。在以5V工作的系統(tǒng)中，“0”通過0V的短脈沖進行通信，而“1”通過5V的短脈沖進行通信。?

數(shù)據(jù)位可以通過并行或串行的形式進行傳輸。另外也可以通過此視頻了解:視頻講解UART、I2C、SPI串口通信。在并行通信中，數(shù)據(jù)位在導線上同時傳輸。下圖顯示了二進制（01000011）中字母“C”的并行傳輸：

在串行通信中，位通過單根線一一發(fā)送。下圖顯示了二進制（01000011）中字母“C”的串行傳輸：

SPI通信

SPI是一種常見的設備通用通信協(xié)議。它有一個獨特優(yōu)勢就是可以無中斷傳輸數(shù)據(jù)，可以連續(xù)地發(fā)送或接收任意數(shù)量的位。而在I2C和UART中，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，有著限定位數(shù)。

在SPI設備中，設備分為主機與從機系統(tǒng)。主機是控制設備（通常是微控制器），而從機（通常是傳感器，顯示器或存儲芯片）從主機那獲取指令。

一套SPI通訊共包含四種信號線：MOSI?(Master Output/Slave Input)?– 信號線，主機輸出，從機輸入。MISO?(Master Input/Slave Output)?– 信號線，主機輸入，從機輸出。SCLK?(Clock)?– 時鐘信號。SS/CS?(Slave Select/Chip Select)?– 片選信號。

SPI協(xié)議特點

實際上，從機的數(shù)量受系統(tǒng)負載電容的限制，它會降低主機在電壓電平之間準確切換的能力。

時鐘信號

每個時鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热Q于時鐘信號的頻率。?時鐘信號由于是主機配置生成的，因此SPI通信始終由主機啟動。?

設備共享時鐘信號的任何通信協(xié)議都稱為同步。SPI是一種同步通信協(xié)議，還有一些異步通信不使用時鐘信號。?例如在UART通信中，雙方都設置為預先配置的波特率，該波特率決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜁r序。

片選信號

主機通過拉低從機的CS/SS來使能通信。?在空閑/非傳輸狀態(tài)下，片選線保持高電平。在主機上可以存在多個CS/SS引腳，允許主機與多個不同的從機進行通訊。

如果主機只有一個片選引腳可用，則可以通過以下方式連接這些從器件：

MOSI和MISO ????主機通過MOSI以串行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機，從機也可以通過MISO將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機，兩者可以同時進行。所以理論上，SPI是一種全雙工的通訊協(xié)議。

傳輸步驟

1.?主機輸出時鐘信號

2. 主機拉低SS / CS引腳，激活從機

3. 主機通過MOSI將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機

4. 如果需要響應，則從機通過MISO將數(shù)據(jù)返回給主機

使用SPI有一些優(yōu)點和缺點，如果在不同的通信協(xié)議之間進行選擇，則應根據(jù)項目要求進行充分考量。

SPI優(yōu)點

SPI通訊無起始位和停止位，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)流傳輸而不會中斷；沒有像I2C這樣的復雜的從站尋址系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速率比I2C更高（幾乎快兩倍）。獨立的MISO和MOSI線路，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

SPI缺點

SPI使用四根線（I2C和UART使用兩根線），沒有信號接收成功的確認（I2C擁有此功能），沒有任何形式的錯誤檢查（如UART中的奇偶校驗位等）。

UART代表通用異步接收器/發(fā)送器也稱為串口通訊，它不像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是微控制器中的物理電路或獨立的IC。

UART的主要目的是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，其最好的優(yōu)點是它僅使用兩條線在設備之間傳輸數(shù)據(jù)。UART的原理很容易理解，但是如果您還沒有閱讀SPI 通訊協(xié)議，那可能是一個不錯的起點。

UART通信

在UART通信中，兩個UART直接相互通信。相關實例:按下按鍵，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)實例。發(fā)送UART將控制設備（如CPU）的并行數(shù)據(jù)轉換為串行形式，以串行方式將其發(fā)送到接收UART。只需要兩條線即可在兩個UART之間傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從發(fā)送UART的Tx引腳流到接收UART的Rx引腳：

????UART屬于異步通訊，這意味著沒有時鐘信號，取而代之的是在數(shù)據(jù)包中添加開始和停止位。這些位定義了數(shù)據(jù)包的開始和結束，因此接收UART知道何時讀取這些數(shù)據(jù)。? ????當接收UART檢測到起始位時，它將以特定波特率的頻率讀取。波特率是數(shù)據(jù)傳輸速度的度量，以每秒比特數(shù)（bps）表示。兩個UART必須以大約相同的波特率工作，發(fā)送和接收UART之間的波特率只能相差約10％。

UART工作原理

發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線獲取并行數(shù)據(jù)后，它會添加一個起始位，一個奇偶校驗位和一個停止位來組成數(shù)據(jù)包并從Tx引腳上逐位串行輸出，接收UART在其Rx引腳上逐位讀取數(shù)據(jù)包。

??? UART數(shù)據(jù)包含有1個起始位，5至9個數(shù)據(jù)位（取決于UART），一個可選的奇偶校驗位以及1個或2個停止位：

起始位：

UART數(shù)據(jù)傳輸線通常在不傳輸數(shù)據(jù)時保持在高電壓電平。開始傳輸時發(fā)送UART在一個時鐘周期內將傳輸線從高電平拉低到低電平，當接收UART檢測到高電壓到低電壓轉換時，它開始以波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

數(shù)據(jù)幀：

數(shù)據(jù)幀內包含正在傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗位，則可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校驗位，則數(shù)據(jù)幀的長度可以為9位。?

校驗位：

奇偶校驗位是接收UART判斷傳輸期間是否有任何數(shù)據(jù)更改的方式。接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后，它將對值為1的位數(shù)進行計數(shù)，并檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)，是否與數(shù)據(jù)相匹配。

停止位：

為了向數(shù)據(jù)包的結尾發(fā)出信號，發(fā)送UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅動到高電壓至少持續(xù)兩位時間。

傳輸步驟

1.發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線并行接收數(shù)據(jù)：?

2.發(fā)送UART將起始位，奇偶校驗位和停止位添加到數(shù)據(jù)幀：

3.整個數(shù)據(jù)包從發(fā)送UART串行發(fā)送到接收UART。接收UART以預先配置的波特率對數(shù)據(jù)線進行采樣：

4.接收UART丟棄數(shù)據(jù)幀中的起始位，奇偶校驗位和停止位：

5.接收UART將串行數(shù)據(jù)轉換回并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線：

沒有任何通信協(xié)議是完美的，但是UART非常擅長于其工作。以下是一些利弊，可幫助您確定它們是否適合您的項目需求：

優(yōu)點

僅使用兩根電線

無需時鐘信號

具有奇偶校驗位以允許進行錯誤檢查

只要雙方都設置好數(shù)據(jù)包的結構

有據(jù)可查并得到廣泛使用的方法

缺點

數(shù)據(jù)幀的大小最大為9位

不支持多個從屬系統(tǒng)或多個主系統(tǒng)

每個UART的波特率必須在彼此的10％之內

I2C通信

I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。相關文章:STM32開發(fā)中使用C語言實現(xiàn)IIC驅動。它只需要兩根線即可傳送信息。它結合了 SPI 和 UART 的優(yōu)點，您可以將多個從機連接到單個主機（如SPI那樣），也可以使用多個主機控制一個或多個從機。當您想讓多個微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡或將文本顯示到單個LCD時，這將非常有用。

SDA (Serial Data)?– 數(shù)據(jù)線。

SCL (Serial Clock)?– 時鐘線。

I2C是串行通信協(xié)議，因此數(shù)據(jù)沿著SDA一點一點地傳輸。與SPI一樣，I2C也需要時鐘同步信號且時鐘始終由主機控制。

工作原理

I2C的數(shù)據(jù)傳輸是以多個msg的形式進行，每個msg都包含從機的二進制地址幀，以及一個或多個數(shù)據(jù)幀，還包括開始條件和停止條件，讀/寫位和數(shù)據(jù)幀之間的ACK / NACK位：

啟動條件：當SCL是高電平時，SDA從高電平向低電平切換。

停止條件：當SCL是高電平時，SDA由低電平向高電平切換。

地址幀：每個從屬設備唯一的7位或10位序列，用于主從設備之間的地址識別。

讀/寫位：一位，如果主機是向從機發(fā)送數(shù)據(jù)則為低電平，請求數(shù)據(jù)則為高電平。

ACK/NACK：消息中的每個幀后均帶有一個ACK/NACK位。如果成功接收到地址幀或數(shù)據(jù)幀，接收設備會返回一個ACK位用于表示確認。

尋址

由于I2C沒有像SPI那樣的片選線，因此它需要使用另一種方式來確認某一個從設備，而這個方式就是 ——?尋址?。

主機將要通信的從機地址發(fā)送給每個從機，然后每個從機將其與自己的地址進行比較。如果地址匹配，它將向主機發(fā)送一個低電平ACK位。如果不匹配，則不執(zhí)行任何操作，SDA線保持高電平。

讀/寫位?

地址幀的末尾包含一個讀/寫位。如果主機要向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，則為低電平。如果是主機向從機請求數(shù)據(jù)，則為高電平。

數(shù)據(jù)幀

當主機檢測到從機的ACK位后，就可以發(fā)送第一個數(shù)據(jù)幀了。數(shù)據(jù)幀始終為8位，每個數(shù)據(jù)幀后緊跟一個ACK / NACK位，來驗證接收狀態(tài)。當發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀后，主機可以向從機發(fā)送停止條件來終止通信。

傳輸步驟

1. 在SCL線為高電平時，主機通過將SDA線從高電平切換到低電平來啟動總線通信。

2. 主機向總線發(fā)送要與之通信的從機的7位或10位地址，以及讀/寫位：

3. 每個從機將主機發(fā)送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，則從機通過將SDA線拉低一位返回一個ACK位。如果主機的地址與從機的地址不匹配，則從機將SDA線拉高。

4. 主機發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀：

5. 傳輸完每個數(shù)據(jù)幀后，接收設備將另一個ACK位返回給發(fā)送方，以確認已成功接收到該幀：

6. 隨后主機將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機發(fā)送停止條件。

單個主機VS多個從機

由于I2C使用尋址功能，可以通過一個主機控制多個從機。使用7位地址時，最多可以使用128(27)個唯一地址。使用10位地址并不常見，但可以提供1,024(210)個唯一地址。如果要將多個從機連接到單個主機時，請使用4.7K歐的上拉電阻將它們連接，例如將SDA和SCL線連接到Vcc：

多個主機VS多個從機 ??? I2C支持多個主機同時與多個從機相連，當兩個主機試圖通過SDA線路同時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，就會出現(xiàn)問題。因此每個主機都需要在發(fā)送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平。如果SDA線為低電平，則意味著另一個主機正在控制總線。如果SDA線高，則可以安全地發(fā)送數(shù)據(jù)。如果要將多個主機連接到多個從機，請使用4.7K歐的上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：

與其他協(xié)議相比，I2C可能聽起來很復雜。以下是一些利弊，可幫助您確定它們是否適合您的項目需求：

I2C優(yōu)點

僅使用兩根電線

支持多個主機和多個從機

每個UART的波特率必須在彼此的10％之內

硬件比UART更簡單

眾所周知且被廣泛使用的協(xié)議

I2C缺點

數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI慢

數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位

審核編輯：湯梓紅