UART通用異步收發(fā)器與SPI串行外設(shè)接口及I2C總線比較

在單片機(jī)開發(fā)中，UART、I2C、RS485等普遍在用，對(duì)它們的認(rèn)識(shí)可能模棱兩可，本文把它們整理了一下。本文較長(zhǎng)，閱讀時(shí)間大約10分鐘。

UART通用異步收發(fā)器

UART口指的是一種物理接口形式(硬件)。

UART是異步，全雙工串口總線。它比同步串口復(fù)雜很多。有兩根線，一根TXD用于發(fā)送，一根RXD用于接收。推薦文章：STM32與51單片機(jī)串口通信實(shí)例。UART的串行數(shù)據(jù)傳輸不需要使用時(shí)鐘信號(hào)來同步傳輸，而是依賴于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間預(yù)定義的配置。

對(duì)于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備來說，兩者的串行通信配置應(yīng)該設(shè)置為完全相同。

起始位：表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，電平邏輯為“0” 。

數(shù)據(jù)位：可能值有5、6、7、8、9，表示傳輸這幾個(gè)bit 位數(shù)據(jù)。一般取值為8，因?yàn)橐粋€(gè)ASCII 字符值為8 位。

奇偶校驗(yàn)位：用于接收方對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)“1” 的位數(shù)為偶數(shù)(偶校驗(yàn)) 或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性，使用時(shí)不需要此位也可以。

停止位：表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。電平邏輯為“1”。

如果用通用IO口模擬UART總線，則需一個(gè)輸入口，一個(gè)輸出口。

I2C總線

I2C總線是一種同步、半雙工雙向的兩線式串口總線。它由兩條總線組成：串行時(shí)鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA。

SCL線——負(fù)責(zé)產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖。

SDA線——負(fù)責(zé)在設(shè)備間傳輸串行數(shù)據(jù)。

該總線可以將多個(gè)I2C設(shè)備連接到該系統(tǒng)上。連接到I2C總線上的設(shè)備既可以用作主設(shè)備，也可以用作從設(shè)備。

主設(shè)備負(fù)責(zé)控制通信，通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行初始化，來發(fā)送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生所需的同步時(shí)鐘脈沖。從設(shè)備則是等待來自主設(shè)備的命令，并響應(yīng)命令接收。

主設(shè)備和從設(shè)備都可以作為發(fā)送設(shè)備或接收設(shè)備。無論主設(shè)備是作為發(fā)送設(shè)備還是接收設(shè)備，同步時(shí)鐘信號(hào)都只能由主設(shè)備產(chǎn)生。

如果用通用IO口模擬I2C總線，并實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，則需一個(gè)輸入輸出口(SDA)，另外還需一個(gè)輸出口(SCL)。

SPI串行外設(shè)接口

SPI總線是同步、全雙工雙向的4線式串行接口總線。它是由“單個(gè)主設(shè)備+多個(gè)從設(shè)備”構(gòu)成的系統(tǒng)。

在系統(tǒng)中，只要任意時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備是處于激活狀態(tài)的，就可以存在多個(gè)SPI主設(shè)備。常運(yùn)用于AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間實(shí)現(xiàn)通信。

為了實(shí)現(xiàn)通信，SPI共有4條信號(hào)線，分別是：

主設(shè)備出、從設(shè)備入（Master Out Slave In，MOSI）：由主設(shè)備向從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線，也稱為從設(shè)備輸入（Slave Input/Slave Data In，SI/SDI）。

主設(shè)備入、從設(shè)備出（Master In Slave Out，MISO）：由從設(shè)備向主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線，也稱為從設(shè)備輸出（Slave Output/Slave Data Out，SO/SDO）。

串行時(shí)鐘（Serial Clock，SCLK）：傳輸時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)線。

從設(shè)備選擇（Slave Select，SS）：用于選擇從設(shè)備的信號(hào)線，低電平有效。

SPI 的工作時(shí)序模式由CPOL（Clock Polarity，時(shí)鐘極性）和CPHA（Clock Phase，時(shí)鐘相位）之間的相位關(guān)系決定，CPOL 表示時(shí)鐘信號(hào)的初始電平的狀態(tài)，CPOL 為0 表示時(shí)鐘信號(hào)初始狀態(tài)為低電平，為1 表示時(shí)鐘信號(hào)的初始電平是高電平。CPHA 表示在哪個(gè)時(shí)鐘沿采樣數(shù)據(jù)，CPHA 為0 表示在首個(gè)時(shí)鐘變化沿采樣數(shù)據(jù)，而CPHA 為1 則表示在第二個(gè)時(shí)鐘變化沿采樣數(shù)據(jù)。

UART、SPI、I2C比較

I2C線更少，比UART、SPI更為強(qiáng)大，但是技術(shù)上也更加麻煩些，因?yàn)镮2C需要有雙向IO的支持，而且使用上拉電阻，抗干擾能力較弱，一般用于同一板卡上芯片之間的通信，較少用于遠(yuǎn)距離通信。

SPI實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單一些，UART需要固定的波特率，就是說兩位數(shù)據(jù)的間隔要相等，而SPI則無所謂，因?yàn)樗怯袝r(shí)鐘的協(xié)議。

I2C的速度比SPI慢一點(diǎn)，協(xié)議比SPI復(fù)雜一點(diǎn)，但是連線也比標(biāo)準(zhǔn)的SPI要少。

UART一幀可以傳5/6/7/8位，I2C必須是8位。I2C和SPI都從最高位開始傳。

SPI用片選信號(hào)選擇從機(jī)，I2C用地址選擇從機(jī)。

RS232串口通信

傳輸線有兩根，地線一根。電平是負(fù)邏輯：

-3V~-15V邏輯“1”，+3V~+15V邏輯“0”。

RS-232串口通信傳輸距離15米左右。可做到雙向傳輸，全雙工通訊，傳輸速率低20kbps 。

下圖是DB9公頭和母頭的定義，一般用的最多的是RXD、TXD、GND三個(gè)信號(hào)。

TTL和RS-232互轉(zhuǎn)

單片機(jī)接口一般是TTL電平，如果接232電平的外設(shè)，就需要加TTL轉(zhuǎn)RS232的模塊。如下圖，可用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

RS422串口通信

RS-422有4根信號(hào)線：兩根發(fā)送、兩根接收和一根地線，是全雙工通信。

它有一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備，從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。

RS485串口通信

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。

采用兩線半雙工傳輸，最大速率10Mb/s，電平邏輯是兩線的電平差來決定的，提高抗干擾能力，傳輸距離長(zhǎng)(幾十米到上千米)。

+2V~+6V邏輯“1”，-2~-6V邏輯“0”。

TTL轉(zhuǎn)成RS-485很常見，比如MAX485，參考電路如下

RE引腳：接收器輸出使能（低電平有效）。

DE引腳：發(fā)送器輸出使能（高電平有效）?？梢灾苯油ㄟ^MCU的IO端口控制。

TTL

嵌入式里面說的串口，一般是指UART口。4個(gè)pin（Vcc,GND,RX,TX），用TTL電平。

PC中的COM口即串行通訊端口，簡(jiǎn)稱串口。9個(gè)Pin，用RS232電平。

串口、COM口是指的物理接口形式(硬件)。而TTL、RS-232、RS-485是指電平標(biāo)準(zhǔn)(電信號(hào))。

單片機(jī)與PC通訊示意圖如下：

CAN總線

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的功能復(fù)雜且智能。主要用于汽車通信，相關(guān)文章：CAN總線詳解。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)主要掛在CAN_H和CAN_L，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過這兩條線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的串行差分傳輸，為了避免信號(hào)的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120歐姆的終端電阻。

每一個(gè)設(shè)備既可做主設(shè)備也可做從設(shè)備。CAN總線的通信距離可達(dá)10千米（速率低于5Kbps），速度可達(dá)1Mbps（通信距離小于40M）。

CAN電平邏輯

CAN總線采用"線與"的規(guī)則進(jìn)行總線沖裁，1&0為0，所以稱0為顯性，1為隱性。

從電位上看，因?yàn)橐?guī)定高電位為0，低電位為1，同時(shí)發(fā)出信號(hào)時(shí)實(shí)際呈現(xiàn)為高電位，從現(xiàn)象上看就像0覆蓋了1，所以稱0為顯性，1為隱性。

USB通信串行總線

USB接口最少有四根線，其中有兩根是數(shù)據(jù)線，而所有的USB數(shù)據(jù)傳輸都是通過這兩根線完成。它的通信遠(yuǎn)比串口復(fù)雜的多。

兩根數(shù)據(jù)線采用差分傳輸，即需要兩根數(shù)據(jù)線配合才能傳輸一個(gè)bit，因此是半雙工通信，同一時(shí)間只能發(fā)送或者接收。

USB 規(guī)定，如果電壓電平不變，代表邏輯1；如果電壓電平變化，則代表邏輯0。

USB轉(zhuǎn)TTL

一般USB轉(zhuǎn)串口都是用CH340G芯片。

用串口通信比USB簡(jiǎn)單，因?yàn)榇谕ㄐ艣]有協(xié)議。

SD卡

SD卡是一種存儲(chǔ)卡，可用于手機(jī)作為內(nèi)存卡使用。

嵌入式中，單片機(jī)與SD卡通信有兩種模式：

SPI總線通信模式

SD總線通信模式

值得注意的是，SD總線模式中有4條數(shù)據(jù)線；SPI總線模式中僅有一條數(shù)據(jù)線（MOSI和MISO不能同時(shí)讀數(shù)據(jù)，也不能同時(shí)寫數(shù)據(jù)）；這樣在嵌入式中，單片機(jī)與SD卡通信時(shí)采用SD總線模式比SPI總線模式速度快幾倍。

1-WIRE總線

1-Wire由美國(guó)Dallas(達(dá)拉斯)公司推出，是一種異步半雙工串行傳輸。采用單根信號(hào)線，既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。

單總線的數(shù)據(jù)傳輸速率一般為16.3Kbit/s，最大可達(dá)142 Kbit/s，通常情況下采用100Kbit/s以下的速率傳輸數(shù)據(jù)。

1-Wire線端口為漏極開路或三態(tài)門的端口，因此一般需要加上拉電阻Rp，通常選用5K~10KΩ

主要應(yīng)用在：打印墨盒或醫(yī)療消耗品的識(shí)別；印刷電路板、配件及外設(shè)的識(shí)別和認(rèn)證。

DMA直接存儲(chǔ)器訪問

DMA是STM32內(nèi)的一個(gè)硬件模塊，它獨(dú)立于CPU，在外圍設(shè)備和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，解放了CPU，可使CPU的效率大大提高。

它可以高速訪問外設(shè)、內(nèi)存，傳輸不受CPU的控制，并且是雙向通信。因此，使用DMA可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速度，這也是ARM架構(gòu)的一個(gè)亮點(diǎn)——DMA總線控制。

DMA就相應(yīng)于一條高速公路，專用、高速的特性。如果不使用DMA，也可以達(dá)到目的，只是達(dá)到目的的時(shí)間比較長(zhǎng)。

Ethernet以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)。

大家知道，以太網(wǎng)接口可分為協(xié)議層和物理層。

協(xié)議層是由一個(gè)叫MAC(Media Access Layer)控制器的單一模塊實(shí)現(xiàn)。

物理層由兩部分組成，即PHY(Physical Layer)和傳輸器。

目前很多主板的南橋芯片已包含了以太網(wǎng)MAC控制功能，只是未提供物理層接口。因此，需外接PHY芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。

網(wǎng)絡(luò)變壓器的作用是：

耦合差分信號(hào)，抗干擾能力更強(qiáng)

變壓器隔離網(wǎng)線端不同設(shè)備的不同電平，隔離直流信號(hào)

以太網(wǎng)接口參考電路，如下圖所示。

原文標(biāo)題：UART、I2C、SPI、TTL、RS232、RS422、RS485、CAN、USB、SD卡、1-WIRE、Ethernet

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審核編輯：湯梓紅