通信协议总结

IIC

基本特点

同步，半双工
标准100KHz，最高400KHz（IIC主要应用于低速设备）

硬件组成

需外接上拉电阻

通信过程

空闲状态

SDA和SCL都处于高电平

开始信号S和终止信号P

在数据传输过程中，当SCL=0时，SDA才可以跳变；当SCL=1时，SDA必须保持稳定，一旦有电平跳变就代表是起始信号或终止信号。

• 起始信号S：SCL=1时，SDA由1->0
• 终止信号P：SCL=1时，SDA由0->1

数据有效性

在数据传输过程中，当SCL=0时，SDA才可以跳变；当SCL=1时，SDA必须保持稳定，一旦有电平跳变就代表是起始信号或终止信号。

在SCL=1时，SDA数据线稳定，数据有效。

应答信号

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

主机将SCL拉高，读取SDA电平：

• SDA=0，表示有效应答位（ACK），表示从机已成功接收该字节
• SDA=1，表示非应答位（NACK），表示从机接收该字节失败

每次传输时，接收方都要返回一个ACK给发送方，才能继续数据通信

IIC写数据

1.主机发送设备地址（前7位为设备地址，第8位代表W）；
2.各从机比对自己的地址，匹配则发送ACK；
3.主机收到ACK，继续发送要访问的寄存器地址；
4.从机成功接收，发送ACK；
5.主机发送DATA。

写AT24C02时序：

IIC读数据

1.主机发送设备地址（前7位为设备地址，第8位代表W）；
2.各从机比对自己的地址，匹配则发送ACK；
3.主机收到ACK，继续发送要访问的寄存器地址；
4.从机成功接收，发送ACK；
5.主机重新发送一个S信号，发送设备地址（第8位为R）
6.从机成功接收，发送ACK；
7.从机紧接着返回对应地址寄存器数据，直到主机不在返回ACK。

读AT24C02时序：

SPI

基本特点

同步、全双工
最高50MKHz

硬件组成

需外接上拉电阻

通信过程

包括主机和从机（可实现一主多从）
主机和从机构成一个环形结构，通过移位寄存器实现串行传输，这就意味着：

• 写数据：必定会接收到从机的数据，丢弃即可
• 读数据：必定需要向从机发送无用数据，才能读到需要的数据
  
  

一主多从

• 多NSS
  

• 菊花链
  
  数据流向：
  
  所以不难发现，菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整个链充当通信移位寄存器，每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。

ISOSPI

CAN

基本特点

异步、半双工、差分
ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps的高速通信标准（闭环，需要添加终端电阻120Ω，用于阻抗匹配，减少回波反射）
IS011519-2是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准（开环）

硬件组成

CAN控制器、CAN收发器、终端电阻

电平标准

隐性电平：逻辑1（CAN_RX/TX=3.3v） 电压差=0V（CAN_H=2v,CAN_L=2v）
显性电平：逻辑0（CAN_RX/TX=0v） 电压差=2V（CAN_H=3.5v,CAN_L=1.5v）

通信过程

1. 空闲状态
   当总线上的上出现连续的11位隐性电平，那么总线就处于空闲状态。

2. 数据传输
   每次发送数据前，节点都会监听总线的状态，如果总线状态为空闲时，它就会立即向总线上发送自己的数据，这个数据里不仅有数据，还有本身的ID信息或者其他的控制指令，应称为数据包(数据帧)，也叫做报文。

3. 仲裁机制（利用线与和回读机制）

   以上只是节点1主动发送数据，但是万一节点1和节点2同时向节点3发送数据的时候，如何判定先后呢？采用非破坏性位仲裁机制，即对各个消息的标识符（即ID号）进行逐位仲裁（比较），如果某个节点发送的消息仲裁获胜，那么这个节点将获取总线的发送权，仲裁失败的节点则立即停止发送并转变为监听（接收）状态。

   因为显性电平会覆盖隐性电平，两个节点同时发送报文时，0会将1覆盖（线与），而每个节点在发送完之后都会进行回读操作：如果自己发的1，都回来的却是0，那仲裁失败，进入空闲状态；自己发的和回读的一样则获得总线控制权。（ ID：000000 00010 比 000000 00011 的优先级要高）

4. 位时序
   can的数据帧中没有用于同步的标志，它的同步是靠位时序实现的。
   
   CAN将一位又分为4段， 同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段 1（PBS1）、相位缓冲段 2（PBS2）。分解后最小的时间单位是 Tq，而一个完整的位由 8~25 个 Tq 组成。通过这些段可以计算出CAN的波特率。
   
   同时每一个段又能用来进行数据同步，分为硬同步和重新同步：

• 硬同步：在帧起始信号时（SOF）同步总线上所有器件的位时序，无法确保后续一连串的位时序都是同步的（可以理解为节点在检测到帧起始信号时才开始“设置段”）

• 重新同步:在检测到总线上的时序与节点使用的时序有相位差时(即总线上的跳变沿不在节点时序的 SS 段范围)，通过延长 PBS1 段或缩短 PBS2 段，来获得同步。
  

硬同步和重新同步都是使用SS段来检测，而同步的目的就是让SS段把跳变沿包含进来
区别在于：
硬同步是在数据传输开始时（SOF处）设置SS段包含跳变沿，类似于初始化；
重新同步是在数据传输过程中设置PBS段以实现SS段包含跳变沿

数据格式

传输的报文包括数据帧，遥控帧，错误帧，过载帧，帧间隔。

数据帧：

数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式，标准格式有 11 个位的ID，扩展格式有 29 个位的 ID。

• SOF：联系前文可知，当数据帧发出第一位时（0为显性电位），总线就由空闲状态转为传输状态，同一时间只能允许一个节点传输数据。
• Identify：接下来的仲裁段有11位，即本数据帧的 ID 信息，决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它设备是否会接收这个数据帧，禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）， ID 信息的作用：① 如果同时有多个节点发送数据时，作为优先级依据（仲裁机制）；② 目标节点通过 ID 信息来接受数据（验收滤波技术）。这些将在下文提出。
• RTR：(Remote Transmission Request BIT) 位用于标识是否是远程帧（0，数据帧；1，远程帧），在数据帧里这一位为显性(逻辑 0)。
• IDE：(Identifier Extension Bit)，是用于区分标准格式与扩展格式，在标准格式中 IDE 位为显性，在扩展格式里 IDE 位为隐性。
• r0：保留位，必须以显性电平发送。
• DLC：由 4 位组成，MSB 先行（高位先行），它的二进制编码用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC 段表示的数字为0到8，若接收方接收到 9~15 的时候并不认为是错误。
• Data：数据帧的核心内容，它由 0~8 个字节(0 ~ 64位)组成，MSB 先行。
• CRC：该段用于检查帧传输错误，发送方以一定的方法计算包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段；接收方以同样的算法计算 CRC 值并进行比较，如果不同则会向发送端反馈出错信息，重新发送；计算和出错处理一般由 CAN 控制器硬件完成或由软件控制最大重发数。该段由 15 个位的 CRC 顺序和 1 个位的 CRC 界定符（用于分隔的位）组成，它为隐性位，主要作用是把CRC 校验码与后面的 ACK 段间隔起来。
• ACK：由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 个位组成，在 ACK 槽位中，发送端发送的为隐性位，而接收端则在这一位中发送显性位以示应答。在 ACK 槽和帧结束之间由 ACK 界定符间隔开，为隐性位。（发送 ACK/返回 ACK这个过程使用到回读机制，即发送方先在 ACK 槽发送隐性位后，回读到的总线上的电平为显性0，发送方才知道它发送成功了，不用重发）
• EOF：由发送端发送 7 个隐性位表示结束。

无ACK:

有ACK:

在数据帧的拓展格式中，与标准格式不同处在于：

• 仲裁段为 29 位；
• 多出的SRR 位(Substitute Remote Request BIT)，用于替代标准格式中的 RTR 位。SRR 位为隐性位，由于 RTR 在数据帧为显性位，所以在两个 ID 相同的标准格式报文与扩展格式报文中，标准格式的优先级较高；
• 控制段中的 r1 和 r0 一样都为保留位，默认设置为显性位；
• 扩展格式的 ID 有 29 个位。基本 ID 从 ID28 到 ID18，扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。基本 ID 和标准格式的 ID 相同。禁止高 7 位都为隐性。（禁止设定：基本 ID=1111111XXXX）

位填充
为防止突发错误而设定，CAN协议中规定，当相同极性的电平持续五位时，则添加一个极性相反的位。填充位的添加和删除是由发送节点和接收节点完成的，CAN-BUS只负责传输，不会操纵信号。

stm32中的CAN

• 具有 3 个发送邮箱，发送报文的优先级可以使用软件，可以记录发送的时间；
• 有 2 个 3 级深度的接收 FIFO，可以使用过滤功能只接收或不接收某些 ID号的报文；
• 不支持使用 DMA 进行数据收发；
• 可变的过滤器组（最多 28 个）。

接收FIFO

CAN的FIFO用于缓存CAN数据包，最多存放3个。一旦超出3个数据就无法收到新数据，需要及时读出，并释放邮箱。

接收消息分为：

• 挂起：一旦FIFO有消息挂起位（pending）就会置位
• 上溢：FIFO满了（最多有3个消息）
  

过滤器组

过滤器用于在数据包送到接收FIFO之前，只接受指定数据，过滤掉不需要的数据。
每个过滤器X（共28个）由两个32位的寄存器组成：CAN_FxR1和CAN_FxR2

过滤器可设置两种筛选方法：

• 标识符掩码：筛选一组符合条件的报文
  ID：指定ID的报文可进入FIFO中
  掩码：含义是根据CAN_FxR2中哪些位为1，筛选出ID这些位与CAN_FxR1中这些位相同的报文（即0xFFFF0000可筛选出前16位相同的报文）
• 标识符列表：筛选两个符合条件的报文
  ID：只能筛选出两种指定ID的报文

DMA

DMA不属于通信协议，但和上述几个通信协议一起记录，是因为它们会经常关联使用

基本特点

DMA可以实现在没有CPU干预的情况下完成数据的传输

硬件组成

能够使用DMA的外设：

通信过程

配置DMA：

• 传输模式：单次/循环
• 传输方向：source，destination
• 传输大小
• 传输通道
• 使能中断：发送完成中断，发送空闲中断，发送一半中断

优势

通过串口接收数据，若采用中断方式，在数据量很小的情况下很有用，但是一旦数据量大了，CPU将频繁被中断打断；而采用DMA+中断的方式，DMA只有在一次性传输size个数据（或者空闲）后才会请求DMA传输完成中断，告知CPU传输完成，而数据的传输工作都是由DMA完成的。