通信协议感悟

        本文结合个人所学，简要讲述SPI，I2C，UART通信的特点，限制。

1.同步通信

        UART，SPI，I2C三种串行通讯方式，SPI功能引脚为CS，CLK，MOSI，MISO；I2C功能引脚为SCL，SDA，SCL就是时钟线。UART功能引脚为Tx，Rx。时钟线用于发送端和接收端时钟同步，所以SPI，I2C是同步通信，UART是异步通信。因为时钟线的存在，SPI，I2C通信双方的频率可以有一定的差别，如发送方时钟频率为32MHz，接收方频率为33MHz。UART因为没有时钟线，所以发送方和接收方必须保持一致的时钟频率，以降低误码率。

2.引脚设置

        I2C采用开漏输出，需要接上拉电阻，才能提供高电平，4700Ω是常见上拉电阻。SPI和UART引脚复用后，采用推挽模式。需要注意的是，接收引脚都采用输入模式。另外，在配置输出引脚电平时，要先配置电平，再配置方向。避免先配置方向，再配置电平，操作一结束就出现沿跳变（上升沿/下降沿）信号，给系统造成干扰。

3.传输特点

        SPI通信速率高达几十Mbps，在PCB设计过程中，通常会加RC滤波电路，减少高频信号的干扰。I2C在标准模式下，通信熟虑为400kbps，高速模式下最高可达3.4MHz。UART常见波特率有9600，115200，但我最高用过2M的波特率（比特率=波特率∗log2N，二进制情况下，波特率与比特率相等）。为了减少丢包，我必须加上帧头帧尾数据长度，CRC冗余校验，并采用错误重传机制。

        三种协议的最大通讯速率关系为：SPI>I2C>UART。SPI通信速率最快，因为SPI软件协议最简单，没有数据应答的过程，SPI主机发送1bit，SPI从机接收1bit，无校验应答过程。I2C通信协议较为复杂，包括开始信号，应答型号，结束信号。UART协议没有时钟线，发送方，接收方，必须保持时钟一致，否则会出现误码。前两者多用于同一PCB板上元器件之间的通信，而UART的传输长度较远，可用于不同设备间通信。uart若采用RS232电平，UART传输距离可达30m（但通信速率不超过20kbit/s）；若要超过30m，则需将TTL电平转为RS485差分信号。UART通信距离限制，主要是由于电压信号的衰减，当高电平信号（eg：3.3v)传出一定距离后，可能衰减为1.5V，这时，接收方有可能把高电平识别为低电平，接收数字信号可能由1变0。

       另外，协议使用过程中有些小技巧。以I2C通信为例，通信过程是开始信号-应答信号-数据信号-应答信号-结束信号。但实际通信过程可能是结束信号-开始信号-应答信号-数据信号-应答信号-结束信号。之所以要在通信开始前，发个结束信号，是为了避免上次通信对本次通信造成干扰。