详解UART、I2C、SPI常用通信协议（全是细节）

前言

        UART、I2C和SPI是我们在嵌入式开发中比较常见的通信协议了，没有最好的通信协议，每个通信协议都有自己的优缺点。如果想要通信速度快，SPI 将是理想的选择；如果用户想要连接多个设备而不是过于复杂，I2C 将是理想的选择，因为它最多可以连接 127 个设备并且易于管理；UART的通信速度相对较慢，通信也比较简单，单对单。

        uart接口比较常用于主设备与蓝牙、wifi模块的通信、打印调试等。

        i2c接口多用于和传感器的通信，例如触摸屏、计步器、温度传感器、EEPROM等。

        spi接口多用于对速率要求高一些的场景，如spi flash、spi lcd屏、SD卡等。

1. UART通信

1.1 UART基本概念

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）：解释为通用异步接收传输，是一种串行、异步、全双工的通信协议。

① UART 没有时钟线，使用两条数据线进行设备通信，每个设备上都有一个 RX 引脚和一个 TX 引脚（RX 用于接收，TX 用于传输）， RX 引脚连接到另一个设备的 TX 引脚；

② 由于 UART 没有时钟线，因此添加了起始位和停止位以表示数据的开始和结束；

③ 两个通信设备间必须以大致相同的波特率（误差不超过10%）运行，否则就可能操作数据错乱；

④ 异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个相邻字符之间的时间间隔是不固定，但同一字符中相邻两个位之间的时间间隔是固定的。

1.2 通信数据格式

空闲：空闲时总线为高电平，通常软件上把数据线配置为推挽、上拉；

起始位：主设备发送一个逻辑“0”信号表示传输字符的开始；

数据位：数据位可以是5~9位组成的一个字符（通常为8位），从最低位开始传输；

校验位：通常我们设置为无奇偶检验位；

                奇校验：如果数据位中“1”的个数为偶数，则校验位为“1”，为奇数，则校验位为‘0’；

                偶校验：如果数据位中“1”的个数为偶数，则校验位为“0”，为奇数，则校验位为“1”；

停止位:可以是 1 、1.5 位或 2 位的逻辑“1”电平，由于同一字符间相邻位的传输时间是固定的，每个设备uart都有自己的时钟，在通信中两个设备之间很可能会出现一点不同步，所以停止位不仅表示传输结束，还能提供纠正时钟的作用，停止位越多，数据传输越稳定，但数据传输速度越慢。

1.3  UART、USART区别

USART （通用同步/异步接收器/发送器）可以说和uart是包含关系，uart有的功能usart都有（异步功能模式），usart可以工作在异步和同步模式下。

        在同步模式下，有自己的时钟线，此时接收端不需要知道发送端的波特率，数据是以帧的形式传输的，传输速率比uart高。

        uart的协议结构很简单，而USART 更为复杂，可以生成与许多不同标准协议相对应的形式的数据，例如 IrDA、LIN、智能卡、RS-485 接口的驱动程序启用和 Modbus 等。

2.  I2C通信

2.1.  I2C基本概念

I2C（内部集成电路）接口有2条线，分别是SCL（串行时钟线）和SDA（串行数据线）。SCL用作数据的同步传输，一般由主设备提供给从设备；另外，由于数据线只有一条；因此，它是个串行、同步、半双工的通信接口。

① I2C支持多主、多从；任何设备都可以同时作为主从，但同时只能有一个主控，一个I2C控制器可以支持挂多个I2C从机设备，其中每个从机的设备地址都是不一样的，以便I2C主控制器访问到该设备；

② 硬件I2C的SCL和SDA接口电路必须外接上拉电阻，空闲时，两条线都为高电平；

③ 起始、停止信号都是由主机端发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在停止信号产生后，总线就处于空闲状态；

④ I2C总线以一个字节（8bit）为单位传输数据，每传输一个字节时，必须得到数据接收方的应答信号，数据都是从最高有效位开始传输，

⑤ I2C的每次通信都是由主设备发起的，在这个过程中，发起端扮演了两个角色，当处于应答时段发起端扮演从端，其余时间都扮演主端；

⑥ 主设备每次发送数据和读写位时，都会等待从设备的响应信号ACK。

2.2  通信协议格式

空闲态：SCL和SDA线均为高电平，处于空闲状态；

起始信号：当SCL为高电平期间，SDA由高到低电平的跳变（启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号）；

地址位：由7位或者10位组成，主设备端发送从设备的设备地址；

读写位：逻辑“0”表示主向从写操作，逻辑“1”表示主向从读操作；

应答位：从设备通过将SDA线拉为低电平来表示ACK（有效应答）成功，SDA被拉高表示NACK（无效应答）;

数据位：一个字节代表一个数据，SCL为高电平的时候读取SDA的有效数据，每字节数据后都需要接收从设备的应答，检测是否接收成功；

停止信号：当SCL为高电平期间，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。

2.3  工作过程

在空闲状态的时候，主设备向从设备发送起始信号，告诉从设备将要开始i2c通信了；

发送完起始信号后，接着发送需要通信的从设备的设备地址，该i2c控制器下的每个从设备对比该设备地址，比对不正确的忽略此次通信，匹配成功的继续通信；

接着主设备发送读写位，主设备释放总线，并等待从设备的应答信号，发起端接收到应答信号后，从设备就会释放总线控制，总线控制权归还给发起端；

写操作：

        发送需要操作的从设备寄存器地址 + 写入寄存器的值；

读操作：

        相对写操作会复杂些，写入需要读的从设备寄存器地址，等待从设备的应答后，主设备重新向从设备发送起始信号 + 从设备地址 ，并将读写位设备为读，等待从设备应答，最后就会开始接收从设备发送过来的数据，直到停止信号发生。

2.4  传输模式

        除超快速模式外，其它都是可以向后兼容的，也就是说快速模式设备向后兼容，可以与 0 至 100 kbit/s I2C 总线系统的标准模式设备通信，然而，由于标准模式设备不向上兼容，它们不能在快速 I2C 总线系统中运行。

网图

2.5.  I2C死锁问题

死锁是什么意思呢？就是你在等我做某件事，而我又在等你做某件事，然后双方就互相等待，啥也不去做了，这就是死锁。

发生死锁的常见情况有两种：

① 从设备回复ACK时主设备异常复位；

② 从设备回复数据位为0时，主设备异常复位。

两者的共同点就是SDA在主设备异常复位时，处于被从设备拉为低电平的状态，而SCL在主设备复位后处于空闲状态（高电平）。此时从设备会等待主设备拉低SCL取ACK或数据位，主设备会等待从设备释放SDA线。主设备和从设备互相等待，进入死锁状态。

解决死锁问题的可尝试方法：

• 主设备检测到SDA拉低超过一段时间后，主动复位从设备并释放SDA线。这种方法的前提是从设备有复位引脚，MCU可以控制从设备的复位引脚对其进行复位。
• 主设备检测到SDA拉低超过一段时间后，将9个时钟信号推入时钟总线(即接收应答信号)，然后取出从设备的ACK位，使从设备释放SDA到高电平。
• 在主设备和从设备之间串联一个 I2C 缓冲器，可以自动检测死锁情况。当检测到死锁时，会主动断开与主设备的连接，并向从设备发送9个时钟信号，从设备释放SDA线后，会重新与主设备建立连接。

I2C死锁问题无法从根本上避免。除了MCU异常复位导致I2C死锁外，正常通信过程中从设备也可能异常拉低SDA导致死锁。因此，软件应该设计成当死锁发生时能够从死锁中恢复，这样I2C通信才能继续进行。

3. SPI通信

3.1  SPI基本概念

SPI（Serial Peripheral Interface）：串行外设接口，它是由摩托罗拉开发的一种串行、同步、全双工的通信协议，可以同时发送和接收数据，发送的数据先发到发送数据缓存区中，然后再到移位寄存器中按位传送，数据都是以字节为单位，高位优先发送。

① SPI 总线总共有 4 条线：   

• MOSI ：主设备数据输出，从设备数据输入；
• MISO ：主设备数据输入，从设备数据输出；
• SCLK： 主设备产生的时钟信号；
• CS/SS：(Chip select）由master设备控制，选择与哪个SPI从设备通信；通常设为低电平表示使能该从设备；

②  支持一主多从，一个主设备控制多个从设备，通常配置为每个从设备对应一条CS线，通过拉低CS信号，选择需要通信的从设备,如果同时将两个SS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码；

③ 在一个时钟周期内，SPI 设备会进行1 bit 数据的发送和接收，其实就是主从间数据交换的过程，在数据传输的过程中，接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样，如果之前接收到的数据没有被采样，那么之前的数据就会被覆盖掉，丢失。

④ 主、从设备必须工作在同一模式下。

3.2  四种工作模式

SPI通信时钟信号是由主设备产生的，其工作模式就涉及到时钟极性（CKP/CPOL）和时钟相位（CKE/CPHA）了，时钟极性和时钟相位共同决定SPI读取数据的模式；

时钟极性：设为“0”表示空闲状态时钟为低电平，

                  设为“1”表示空闲状态时钟为高电平；

时钟相位：设为"0"表示在时钟信号的第一个跳变沿采样，

                   设为"1"表示在时钟信号的第二个跳变沿采样；

要理解这四个工作模式，你必须要知道的一点就是，SPI通信传输过程其实就是主、从设备数据交换的一个过程，MOSI 和 MISO在一个时钟周期内都会进行数据位的发送和接收，如果不需要接收的数据，直接忽略就可以了，不做处理。

3.2.1  模式0 (CPOL = 0,CPHA = 0)

在空闲状态下，SCLK处于低电平，在第1个时钟边沿进行数据采样。SCLK由低电平到高电平的跳变进行数据采样（第一个跳变沿采样），采样完在下一个跳变沿发送数据。

 3.2.2 模式1 (CPOL = 0,CPHA = 1)

在空闲状态下，SCLK处于低电平，在第2个时钟边沿进行数据采样，第一个时钟沿进行发送数据。

 3.2.3 模式2 (CPOL = 1,CPHA = 0)

在空闲状态下，SCLK处于高电平，在第1个时钟边沿进行数据采样。SCLK由高电平到低电平的跳变进行数据采样（第一个跳变沿采样），采样完在下一个跳变沿发送数据。

 3.2.4 模式3 (CPOL = 1,CPHA = 1)

在空闲状态下，SCLK处于高电平，在第2个时钟边沿进行数据采样，第一个时钟沿进行发送数据。