IIC、UART、SPI比较

yummy 阅读：589 2022-04-11 16:01:41 评论：0

I2C通信协议

i2c（inter-integrated Circuit 集成电路总线）总线支持设备之间的短距离通信，用于处理器和一些外围设备之间的接口，需要两根信号线来完成信息交换。

I2C协议把传输的消息分为两种类型的帧。地址帧：用于master指明消息发往哪个slave；数据帧：用于master发送数据到slave或者接收slave的数据；一次读写单位为8bit。

I2C的数据传输

在数据传输时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据保持稳定。只有在时钟信号为低电平期间，数据线上的高电平或者低电平才允许变化。数据在时钟SCL上升沿到来之前就需要准备好，在SCL下降沿之前保持稳定。

主设备往从设备中写寄存器，数据的传输格式：

①首先由主机发送一个开始信号

②主机在数据线上广播从机地址

③确定数据的传输方向是写

④“A”代表应答，代表主机找到了从机

⑤主机发送一个字节数据，从机接收到后，会返回主机一个应答信号。当主机发送完数据，或者从机返回了一个NACK信号，表示从机不再接收主机的数据。主机发送一个STOP信号，表示数据传输完成。

主设备读取从机的寄存器值：

①主机发送一个开始信号

②主机在数据线上广播从机的地址

③确定数据的传输方向读

④从机返回应答信号，表示主机找到了从机

⑤从机返回读的数据

⑥主机返回一个应答信号，表示成功接收到从机发出的一个数据

⑦当主机接收完数据，返回一个非应答信号NACK，从机释放数据总线，接着主机发送一个STOP信号，表示此次数据传输结束。

I2C时序

① IIC 协议空闲状态

② IIC 协议的起始信号

③ IIC 协议的数据传输（数据读写）状态（应答信号（ACK））

④ IIC 协议的停止信号

I2C空闲状态

图中标注①表示“总线空闲状态”，在此状态下串口时钟信号 SCL 和串行数据信号 SDA 均保持高电平（都为 1），此时无 IIC 设备工作。

I2C起始信号

图中标注②表示“起始信号”，在 IIC 总线处于“空闲状态”时，时钟信号线 SCL 为高电平时，数据信号线 SDA 被拉低（由高电平变为低电平），出现下降沿，表示产生了一个起始信号。起始信号是由主机（本实验中为 FPGA）主动建立的，在建立该信号之前 IIC 总线必须处于空闲状态。

I2C数据传输（数据读写）状态

IIC 通讯设备的通讯模式是主从通讯模式，通讯双方有主从之分。数据信号线 SDA 更新数据时：在时钟信号线 SCL 为低电平时将数据信号线 SDA 上的数据进行数据更新。即数据在时钟信号线 SCL 的上升沿到来之前就必须准备好，并在 SCL 下降沿到来之前必须保持稳定。

应答信号（ACK）

IIC 总线上的所有数据都是以字节（8bit）传送的，发送端（可以是主机也可以是从机）每发送一个字节（8bit），就必须在第 9 个 SCL 脉冲期间释放 SDA，由接收端（发送端为主机时，接收端为从机/发送端为从机时，接收端为主机）反馈一个应答信号。

应答信号为低电平（为 0）时，称为有效应答位（ACK），表示接收端成功接收了该字节（8bit）；应答信号为高电平（为 1）时，称为非应答位（NACK），表示接收端接收该字节（8bit）失败。

注：数据接收失败或者数据传输结束都要发送 NACK。

反馈有效应答位(ACK)：接收端在第 9 个时钟脉冲之前的低电平期间将 SDA 拉低，并且确保在该时钟周期的高电平期间保持低电平。

I2C停止信号

数据读写完成后，时钟信号线 SCL 为高电平时，数据信号线 SDA 被释放（由低电平转为高电平），出现上升沿，表示产生了一个停止信号，IIC 总线跳转回“总线空闲状态”。停止信号是由主机（本实验中为 FPGA）主动建立的，建立该信号之后，IIC总线将返回空闲状态。

优点

仅使用两根电线

支持多个主机和多个从机

硬件比UART更简单

众所周知且被广泛使用的协议

缺点

数据传输速率比SPI慢

数据帧的大小限制为8位

I2C读写EEPROM

EEPROM 的写操作有：

①单字节写(BYTE WRITE)

② 页写(PAGE WRITE)

EEPROM 的读操作有：

①当前地址读(Current Address READ)

②随机地址读(RANDOM READ)

③顺序地址读(SEQUENTIAL READ

EEPROM单字节写操作时序

字节写(BYTE WRITE)操作：在数据信号线 SDA 上，发起始位 (START)->写写控制字(Control Byte)->接收 ACK->写字节地址(Word Address)->接收 ACK->写数据(Data) ->接收 ACK->发停止位(STOP)。

EEPROM页字节写操作时序

页写(PAGE WRITE)操作：一次写入 16 个字节（每字节为 8bit）数据。在数据信号线 SDA 上，发起始位(START)->写写控制字(Control Byte)-> 接收 ACK->写字节地址(Word Address)->接收 ACK->写数据(Data(n)) -> 接收 ACK->写数据(Data(n+1))->接收 ACK->（一共发送 16 字节（Byte）数据，中间数据省略）->写数据(Data(n+15))->接收 ACK->发停止位 (STOP)。

EEPROM当前地址读操作时序

当前地址读(Current Address READ)操作：在数据信号线 SDA 上，发起始位(START)->写读控制字(Control Byte)->接收 ACK->接收读数据 (Data)->发 No ACK ->发送停止位（STOP）。

EEPROM随机读操作

随机读需先写一个目标字地址，一旦EEPROM接收器件地址和字地址并应答了ACK，主器件就产生一个重复的起始条件。然后，主器件发送器件地址（读/写选择位为"1"），EEPROM应答ACK，并随时钟送出数据。主器件无需应答"0"，但需发送停止条件。

EEPROM顺序读操作

顺序读可以通过“当前地址读”或"随机读”启动。主器件接收到一个数据后，应答ACK，只要EEPROM接收到ACK，将自动增加字地址并继续随时钟发送后面的数据。若达到存储器地址末尾，地址自动回转到0，仍可继续顺序读取数据。主器件不应答"0"，而发送停止条件，即可结束顺序读操作。

SPI通信协议

SPI（Serial Peripheral Interface）串行外设接口，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设备FLASH、RAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。

SPI通信原理

SPI以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或者多个从设备，需要至少4根线。

1、这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。

2、SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB（高位）先行或LSB（低位）先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定。

①MISO--Master Input Slave Output ,主设备数据输入，从设备数据输出。

②MOSI--Master Output Slave Input ，主设备数据输出，从设备数据输入。

③SCLK--Serial Clock ，时钟信号，由主设备产生

④CS--Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制

SPI是串行通讯协议，数据是以一位一位的传输的，这也是SCLK时钟线存在的原因。由SCK提供时钟脉冲，SDI、SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或者下降沿改变，在紧接着的下降沿或者上升沿读取数据，完成一位数据传输，输入也是同样的道理。

在点对点的通信中SPI不需要寻址操作，且为全双工，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否收到数据

SPI设备选择

SPI是［单主设备（ single-master ）］通信协议，这意味着总线中的只有一支中心设备能发起通信。当SPI主设备想读/写［从设备］时，它首先拉低［从设备］对应的SS线（SS是低电平有效），接着开始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”，同时可对MISO采样而实现“读”，如下图：

SPI数据发送接收

SPI主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

1. 首先拉低对应SS信号线，表示与该设备进行通信

2. 主机通过发送SCLK时钟信号，来告诉从机写数据或者读数据。这里要注意，SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，因为SPI有四种模式。

3. 主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。

4. 从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

SPI通信的四种模式

时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：

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

时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间。

CPHA=0，在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。，在第2个边沿发送数据

CPHA=1，在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。，在第1个边沿发送数据

1)Mode0：CPOL=0，CPHA=0
2)Mode1：CPOL=0，CPHA=1
3)Mode2：CPOL=1，CPHA=0

4)Mode3：CPOL=1，CPHA=1

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。

通信特点

1、SPI优点
①支持全双工通信
②通信简单
③数据传输速率块
2、缺点
①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。
3、特点
①高速、同步、全双工、非差分、总线式

②主从机通信模式

UART通信协议

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用异步收发传输器。是一种通用的串行总线，用于异步通信，可以实现全双工传输和接收。工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

通信协议

起始位：发送逻辑“0”表示传输字符开始

数据位：可以选择5/6/7/8位，构成一个字符，通常采用ASCLL码，从低位开始传送，靠时钟定位。

奇偶校验位：数据位加上这一位，使得“1”的位数成为奇校验或者偶校验，以此来检验数据位传送的正确性。

停止位：不仅表示传输结束，而且还提供计算机校正的时钟同步的机会。

空闲位：处于逻辑“1”，没有数据传输。

波特率：是衡量数据传送速率的指标，表示每秒传送的符号数。

传输时序

通信过程

发送过程

当检测到发送命令的上升沿，启动数据发送。先发送起始位‘0’；再按照低位在前、高位在后的顺序发送数据位；然后根据数据位异或计算得到的奇（偶）校验值，作为校验位发送；最后发送停止位‘1’。具体时序如下：

外部：数据准备→发送命令置‘1’；

内部：检测发送命令上升沿→计数器启动→发送起始位、数据位、奇偶校验位、停止位→计数器清零→检测发送命令上升沿。

接收过程：

当检测到接收数据线rx的下降沿时，表示一个数据包的起始位到来，启动数据接收。先接收起始位，仅作检测作用；再接收数据位，存储在数据寄存器中，当接受完最后一位数据位时，数据读取完成标志置‘1’；再检验奇偶校验位，若不正确则数据错误标志置‘1’；再接收停止位‘1’，若不正确则帧错误标志置‘1’。具体时序如下：

内部：检测rx下降沿→计数器启动→接收起始位‘0’→接收数据位→接收完最后一位数据，数据读取完成标志置‘1’→检验奇偶校验位→接收停止位‘1’→计数器清零→检测rx下降沿；

外部：检测数据读取完成标志上升沿→读取所接收数据。

计数器：

串口通信中，时钟一般设置为波特率的多倍频（如16倍），这是因为只有在每一位的中心位置读取数据，才能确保数据的正确性，靠近位的边沿读取数据的话，容易受到器件本身电平跳变快慢的影响，具有很大的不稳定性。当时钟是16倍的波特率时，每一位的长度有16个时钟周期，我们可以选择在第8个时钟上升沿读取数据，或者取第7、8、9个时钟所读取数据相与，以保证每一位数据的准确性。

优点

仅使用两根电线

无需时钟信号

具有奇偶校验位以允许进行错误检查

只要双方都设置好数据包的结构

有据可查并得到广泛使用的方法

缺点

数据帧的大小最大为9位

不支持多个从属系统或多个主系统

每个UART的波特率必须在彼此的10％之内

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原文链接：https://blog.csdn.net/m0_37573557/article/details/121401455