常见硬件通信协议（UART,SPI,IIC,单总线）

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#c语言 #信息与通信 #stm32

一、通信的分类

1.并行通信

传输原理：数据各个位同时传输。（以字节或字节的倍数进行传输）
优点：速度快。
缺点：占用引脚资源多。传输成本高、传输距离近、抗干扰能力弱（串扰）

                应用领域：一般大量数据传输，并且传输距离较近如计算机总线

2.串型通信

传输原理：数据按位顺序传输。（每一位都占据固定的时间长度）

                优点：占用引脚资源少。（最少一根线）、传输成本低、传输距离远

                缺点：速度相对较慢

                应用领域：一般用于工控设备、测量设备、少部分通信设备 USB COM口

二、通信的方式

1单工（a）

只能发送或者接收数据，一般只有一根线。比如遥控器，收音机，无线电台

2.半双工（b）

在同一时刻，只能接收或者发送，至少有两根线。比如对讲机

3.双工（c）

在同一时刻，既可以接收又可以发送，至少有两根线。例，移动电话

三、同步与异步通信

三种通信方式示意图：

根据接收端与发送端的时钟异同又分为同步通信和异步通信。

1.同步通信

带时钟同步信号传输。例如：SPI, IIC通信接口。要求通信双方必须使用同一个时钟，相当于发送数据的同时接收数据，同步通信属于连续串行传输数据，一次只传输一帧数据，相比于异步通信而言，传输效率更高，缺点是时钟必须一致。

2.异步通信

不带时钟同步信号。例如：UART(通用异步收发器), 单总线；如UART接口属于异步通信，要求通信双方具有发送端和接收端，由于不要求时钟同步，所以在通信的时候，通信双方必须提前约定好通信格式（字符格式）以及通信速率，异步通信以字符为单位进行传输，在传输一个字符的时候会添加起始位和停止位，通过起始位以及停止位来达到同步的功能。

四、常见通信协议

示意图

1.UART（通用异步收发器）

UART是一种全双工，异步串型通信方式。在发送数据时，将并行数据转换成串型数据来传输；在接收数据时，将串型数据转换成并行数据。可以实现全双工传输和接收。

（1）UART串口通信需要两根信号线，一根用来串口接收，一根用来串口发送。RXD为数据输入引脚，用于数据接收。TXD为数据发送引脚，用于数据发送。GND为接地引脚。

（2）UART在发送或者接收过程中的一帧数据由四部分组成。起始位（低电平），数据位，奇偶校验位和停止位（高电平）；

（3）起始位标志着一帧数据的开始，停止位标志着一帧数据的结束，数据位是一帧数据中的有效数据。通常为 5 6 7 8 位。最好是8位

（4）数据校验：在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)，它们介绍如下：
A. 奇校验要求有效数据和校验位中"1"的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时总共有4个"1"，为达到奇校验效果，校验位为"1"，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。
B. 偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中"1"的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧"1"的个数为4个，所以偶校验位为"0"。
C. 0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为"0"，1校验是校验位总为"1"。

（5）波特率：串口异步通讯中由于没有时钟信号(如前面讲解的DB9接口中是没有时钟信号的)，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，下图中分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。
波特率（bandrate）,指的是串口通信的速率，也就是串口通信时每秒钟可以传输多少个二进制位。比如每秒钟可以传输9600个二进制（传输一个二进制位需要的时间是1/9600秒，也就是104us），波特率就是9600。

（6）硬件流控制
        A.为什么需要流控?
                流控的目的是让串口通信非常可靠，可以保证发送和接收不会漏掉东西。
        B.现在为什么不用流控?
                现在计算机之间有更好更高级(usb、internet)的通讯方式，串口在发送方速率比接收方快的时候流控经基本被废弃了。现在串口的用途更多是用来输出调试信息的。而且现在的硬件已经基本不需要这个了，收发速度完全可以协调得过来

2.单总线（1-wirte）

1-wirte是种半双工，异步串型通信方式。是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术。是目前多数标准串行数据通信方式，与SPI / I2C不同，它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。 1-ware单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作；而当多个从机位于总线上时，则系统按照多节点系统操作。

3.SPI

         SPI是英语SerialPeripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

（1）SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的引脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，STM32F4也有3个SPI接口。

（2）SPI速度：几兆到几十兆不等。TM32F4的SPI功能很强大，SPI时钟最高可以到37.5Mhz，支持DMA，可以配置为SPI 协议或者I2S协议（支持全双工I2S）。

（3）SPI总线接线图：只能一主多从。

（4）数据如何传输：SPI通讯是全双工的，主机通过MOSI在发送1位数据时，主机的MISO也会接收1位数据。发送一个字节数据，相应的会接收到一个字节的数据。

（5）SPI接口一般使用4条线通信：


        a.SPI通讯需要四个管脚：
                SCLK(serial clock串行时钟，由主控产生脉冲方波时钟)；
                MOSI（master output salve input主机将数据一位一位的传输给从机的数据通道）
                MISO（master input salve output从机将数据一位一位的传输给主机的数据通道）
                CS（chip select，低电平表示选择，高电平表示释放）(并不绝对)
         b. SPI总线可以挂载多个设备，如何区分多个设备呢？

                就是通过CS管脚来进行区分。每一个SPI从设备都对应有一个CS片选脚。主控和SPI从设备进行通信时，首先会将相应的从设备的片选管脚-拉低主设备只能有一个

4.IIC

        IIC(Inter－Integrated Circuit),两线式串行总线,由PHILIPS公司开发用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，高速IIC总线一般可达400kbps以上。（400000bits ，115200bits） IIC是半双工通信方式。

      （1）可以一主多从或者多主多从的方式。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。

      （2）这里要注意IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以IIC的传输速率比不上SPI。

      （3）IIC一共只有两个总线：一条是双向的串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL。外围器件的时钟线和数据线都是挂载在IIC总线（由主控芯片提供），并且在空闲状态下所有器件的时钟线（SCL）和数据线（SDA）都被总线的上拉电阻拉高，这样就可以把SDA引脚和SCL引脚设置为开漏模式即可，好处是防止短路。

（4）如果IIC总线上挂载了多个外围器件，如何与某一个器件进行单独通信？

                每个挂载在IIC总线上的外围器件都有独立的器件地址，主机发送开始信号后，只需要发送想要通信的设备的地址，如果设备收到地址并且匹配正确，则开始进行单独通信。

（5）I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

        a. 开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

        b. 结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

        c. 应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据，这个低电平就是ACK信号。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

        这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。