串行通信协议

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前言

UART为异步串行通信，使用各自的时钟控制数据的发送和接受过程，不使用同步时钟，而是使用一些特殊位（起始位、停止位）；SPI、IIC为同步串行通信，需要同步时钟。
通信三种模式：
1）单工：通信双方设备发送器和接受器分工明确，只能由发送器向接收器但一固定方向传输数据；
2）半双工：两个设备均既是发送器也是接收器，某一时刻只能向一个方式传输数据；
3）全双工：两个设备均既是发送器也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传输数据。
一、UART
UART是一种使用异步串行通信方式的通用异步收发传输器，他在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接受数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。在硬件连接时，发送端的Tx连接接收端的Rx，即Rx与Tx连接，Tx与Rx连接。

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一、UART

UART是一种使用异步串行通信方式的通用异步收发传输器，他在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接受数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。在硬件连接时，发送端的Tx连接接收端的Rx，即Rx与Tx连接，Tx与Rx连接。

UART在进行数据发送和数据接受过程在的一帧数据由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成。通过特殊位可以通过移位寄存器将数据转换为并行数据。

空闲状态：没有数据传输，是高电平，保持高电平表示线路和传输设备没有损坏；
起始位：数据开始传输时发送端首先发送一个低电平“0”来表示传输字符的开始；
数据位：数据位存放传输需要的数据，一般是8位，如果不使用奇偶校验位，则为9位，先发送低位，在发送高位；
校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验数据传送的正确性；
停止位：数据结束标志，通常有两位，但只使用了一位，为了结束数据传输，UART将数据线保持在高电压（1）。
UART发送端与接收端必须在波特率上达成一致才能成功传输数据，使用波特率可以提高数据的传输速度。
UART优点：
1）全双工数据传输只需要两条线；
2）不需要时钟或其他定时信号；
3）奇偶校验位确保将基本错误检查集成到数据包帧中。
UART缺点：
1）帧中数据的大小有限；
2）与并行通信相比，数据传输速度要慢一些；
3）发送器和接收器必须统一传输规则，并且选择合适的波特率。
1、RS232
信号采用负逻辑电平、单端传输方式工作。通过一根信号线发送，一根信号线接受，加上一根地线，RS232可实现全双工通信。由于单端传输方式抗干扰能力差，导致RS232标准通信距离短（小于15米），数据传输速率低等问题。另外RS232仅支持一对一通信，存在无法实现多个设备互联的缺点
2、RS422
RS422采用差分传输（平衡传输）方式，将最大传输速率提高到10Mbps；当传输速率在100kbps以下时，传输距离可达1200米。由于采用差分传输方式，RS422需要4根信号线来实现全双工通信，两根用于发送、两根用于接收，一般会在加上一根地线。RS422允许在一条传输总线上连接最多10个接收器，从而实现但个设备发送，多个设备接受的功能。
3、RS485
RS485采用差分传输方式，可以抑制共模干扰，但是RS485只有两根信号线，由发送和接收公用，因此发送和接受不能同时进行，只能实现半双工通信。RS485增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，各设备通过使能信号控制发送和接收过程。传输距离可达3000米，最高数据传输速率为10Mbps。
RS232、RS485区别：
1）工作模式：232全双工，485半双工；
2）传输方式：二者只是物理协议的通信（接口标准），485是差分传输方式，232是单端传输方式，通信程序没有太大区别；
3）信号线：485接口组成半双工网络，一般只需要两根信号线，232一般只使用RXD、TXD、GND三条信号线；
4）传输距离：485接口的最大传输距离为1200米，实际上可达3000米，232传输能力有限，最大传输距离标准值为50米，实际上能达到15米左右；
5）抗干扰性：485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，232接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，共地传输容易产生共模干扰；
6）通信能力：232纯属速率较低，在异步传输时，波特率位20Kbps，485的数据最高传输速率位10Mbps；
7）电气电平值：485的逻辑“1”以两线间的电压差位+（2～6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2～6）V表示。在232中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-（5～15）V；逻辑“0”，+（5～15）V。

二、SPI

Motorola公司开发的一种高速的、全双工、同步的通信总线，外部引脚使用四根线。与IIC不同，SPI没有明文标准，SPI数据传输速度比IIC要快。SPI的四根信号线为SCLK、MOSI、MISO、SS。
SCLK：时钟信号，由主设备产生；
MOSI：主设备输出，从设备输入；
MISO：从设备输出，主设备输入；
SS：从设备使能信号，由主设备控制。

SPI是单主设备通信协议，即总线中只有一个中心设备能发起通信。在点对点的通信时，SPI不需要寻址操作，且为全双工通信，效率高；当存在多个从设备时，每个从设备都有独立的时能信号，硬件上比IIC要复杂。SPI当SPI主设备想读/写从设备时，首先拉低从设备对应的SS线（SS是低电平有效），然后发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到MOSI实现写操作，同时可对MISO采样而实现读操作。

SPI有四种传输模式：模式0、模式1、模式2和模式3，通过控制寄存器中的CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来进行设置。它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换(toggles)输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值(即时钟信号无效时是高还是低)。主从设备必须使用相同的工作参数SCLK、CPOL、CPHA，才能正常工作。如果有多个从设备，并且它们使用了不同的工作参数，那么主设备必须在读写不同从设备间重新配置这些参数。

SPI是一个环形总线结构，SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的、传输数据8位的移位寄存器。SPI不规定最大传输速率，没有地址方案；SPI也没规定通信应答机制，没有规定流控制规则。
缺点：
1）没有指定的流控制；
2）没有应答机制确认是否接收到数据；

二、IIC

Philips公司开发的一种使用两根线连接所有外围芯片的总线协议，两条信号线都是双向传输的，IIC协议标准规定发起通信的设备称为主设备，主设备发起一次通信后，其它设备均为从设备。IIC是一种多向控制总线，多个芯片可以连接到同一总线结构下，每个芯片都可以作为实时数据传输的控制源，是多主设备的总线，且没有物理芯片选择信号线，没有仲裁逻辑电路，只有两根信号线，一条为双向数据传输的SDA，一根是时钟线SCL。主从设备之间通信是利用每个从设备都有一个独立的地址，主设备可以通过该地址与从设备进行通信。最初定义总线速度为100Kbps，后来发展为400Kbps和3.4Mbps。
IIC协议规定：
 每一IIC设备都有一个唯一的七位设备地址；
 数据帧大小为8位的字节；
 数据(帧)中的某些数据位，用于控制通信的开始、停止、方向(读写)和应答机制。
IIC数据传输速率有标准模式(100kbps)、快速模式(400kbps)和高速模式(3.4Mbps），另外一些变种实现了低速模式(10kbps)和快速+模式(1Mbps)。

从上图中可以看出，START信号与STOP信号的电平变化。
START信号：时钟信号SCL为高电平，SDA由高电平跳变为低电平，开始传输数据；
STOP信号：时钟信号SCL为高电平，SDA由低电平跳变为高电平，结束传输数据；
IIC通信过程大概如下：当起始信号发生时，所有的从设备准备接受主设备发送的从设备地址（7位设备地址加1位读写操作的数据帧），从设备接收到地址后开始与自身地址进行比对，如果相同，则被选中，并向主机发出应答（ACK），如果不同，则进行等待状态，等待STOP信号到来。当主设备收到应答后便开始传送或接收数据。数据帧大小为8位，尾随一位的应答信号。主设备发送数据，从设备应答；相反主设备接数据，主设备应答。当数据传送完毕，主设备发送一个STOP信号，向其它设备宣告释放总线，其它设备回到初始状态。
基于IIC总线的物理结构，总线上的START和STOP信号必定是唯一的。另外，IIC总线标准规定：SDA线的数据转换必须在SCL线的低电平期，在SCL线的高电平期，SDA线的上数据是稳定的。主设备向从设备写数据时，SDA线由主设备控制，从设备负责接受信号；相反，主设备读取从设备数据时，SDA线由从设备控制，主设备负责接受信号。

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