2021-09-13

最新推荐文章于 2023-11-17 22:54:11 发布

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文章标签： stm32 物联网

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/LONELYJsad/article/details/120270493

本文详细解析了IIC（二线制I2C）和SPI（Serial Peripheral Interface）通信协议，包括IIC的软件和硬件实现、通信流程、空闲状态、开始和停止信号、应答机制，以及SPI的全双工特性、工作模式、时钟管理。对比了两者在效率、灵活性和可靠性方面的差异。

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通信协议(IIC/SPI)

一、IIC
IIC:两线式串行总线，它是由数据线SDA和时钟线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400kbs以上。

时钟线SCL：在通信过程起到控制作用。
数据线SDA：用来一位一位的传送数据。

IIC分为软件IIC和硬件IIC

软件IIC：软件IIC通信指的是用单片机的两个I/O端口模拟出来的IIC，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式。
硬件IIC：一块硬件电路，硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。

补充：

1.硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。
2.IIC是半双工通信方式。

IIC通信协议

IIC通信过程由开始、结束、发送、响应、接收五个部分构成。

 1、（在发送、接收数据的时候）当SCL为高电平时，SDA线不允许变化；当SCL线为低电平时，SDA线可以任意0、1变化。 
 2、（在任意时候）只有当SCL为高电平时，IIC电路才对SDA线上的电平（0或者1）进行记录，当SCL线为低电平时，无论SDA是高还是低，IIC电路都不对SDA进行采样。

空闲状态

在介绍上面五个部分前，我们首先说说空闲状态，什么是空闲状态，就是没有通信时的状态（初始状态）

I2C总线的SDA和SCL两条信号同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

开始信号与停止信号

开始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平。
停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

在这里插入图片描述

应答信号

发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据先，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位(ACK简称应答位)，表示接收器已经成功接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位(NACK),一般表示接收器接收该字节没有成功。

对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间位稳定的低电平。如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，从机应答主机所需要的时钟仍是主机提供的，应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答：
在这里插入图片描述
发送数据

在I2C总线上传送的每位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，SDA逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

接收数据

发送数据是一位一位发送，接收数据也是一位一位接收进来，最后返回应答信号。

二、SPI协议
1、什么是SPI？

SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

2、SPI优点

支持全双工通信
通信简单
数据传输速率块

3、缺点

没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据，所以跟IIC总线协议比较在数据可靠性上有一定的缺陷。

4、特点

1）：高速、同步、全双工、非差分、总线式
2）：主从机通信模式

5、协议通信时序详解
1）：SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。

(1)SDO/MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入;
(2)SDI/MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出;
(3)SCLK – 时钟信号，由主设备产生;
(4)CS/SS – 从设备使能信号，由主设备控制。

当有多个从设备的时候，因为每个从设备上都有一个片选引脚接入到主设备机中，当我们的主设备和某个从设备通信时将需要将从设备对应的片选引脚电平拉低或者是拉高。
在这里插入图片描述
2）：需要说明的是，我们SPI通信有4种不同的模式，不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式，这是不能改变的；但我们的通信双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式，具体如下：
Mode0：CPOL=0，CPHA=0
Mode1：CPOL=0，CPHA=1
Mode2：CPOL=1，CPHA=0
Mode3：CPOL=1，CPHA=1

时钟极性CPOL是用来配置SCLK的电平出于哪种状态时是空闲态或者有效态，时钟相位CPHA是用来配置数据采样是在第几个边沿：

CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时
CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时
CPHA=0，表示数据采样是在第1个边沿，数据发送在第2个边沿
CPHA=1，表示数据采样是在第2个边沿，数据发送在第1个边沿

例如：

CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿。
CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。
CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。
CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

在这里插入图片描述
需要注意的是：我们的主设备能够控制时钟，因为我们的SPI通信并不像UART或者IIC通信那样有专门的通信周期，有专门的通信起始信号，有专门的通信结束信号；所以我们的SPI协议能够通过控制时钟信号线，当没有数据交流的时候我们的时钟线要么是保持高电平要么是保持低电平。
6、内部工作机制
在这里插入图片描述
SSPSR 是 SPI 设备内部的移位寄存器(Shift Register). 它的主要作用是根据 SPI时钟信号状态, 往 SSPBUF 里移入或者移出数据, 每次移动的数据大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所决定.