嵌入式常用通信协议总结

1、UART串口通信

UART——通用异步收发传输器。UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

基于UART的数据传输是异步形式的串行数据传输。基于UART的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输的发送端和接收端，而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置。

对于发送设备和接收设备来说，两者的串行通信配置（波特率、单位字的位数、奇偶校验、起始位数与结束位、流量控制）应该设置为完全相同。通过在数据流中插入特定的比特序列，可以指示通信的开始与结束。当发送一个字节数据的时候，需要在比特流的开头加上起始位，并在比特流的末尾加上结束位。数据字节的最低位紧接在起始位之后。

UART 串口的特点是将数据一位一位地顺序传送，只要2根传输线就可以实现双向通信，一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。UART 串口通信有几个重要的参数，分别是波特率、起始位、数据位、停止位和奇偶检验位，对于两个使用UART串口通信的端口，这些参数必须匹配，否则通信出错。

起始位：表示数据传输的开始，电平逻辑为“0” ，位数为1位。

数据位：可以是5~8位的数据，先发低位，再发高位，一般取值为8，因为一个ASCII 字符值为8位。

奇偶校验位：用于接收方对接收到的数据进行校验，“1”的位数为偶数(偶校验) 或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性，使用时不需要此位也可以。

停止位：表示一帧数据的结束，电平逻辑为“1”，位数可以是1/1.5/2位。

波特率：串口通信时的速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit) 数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)。常见的波特率值有4800、9600、115200 等，数值越大数据传输的越快，波特率为115200 表示每秒钟传输115200 位数据。

串口通信存在的问题

（1）UART只是对信号的时序进行了定义，而未定义接口的电气特性；

（2）UART通信时一般直接使用处理器使用的电平，即TTL电平，但不同的处理器使用的电平存在差异，所以不同的处理器使用UART通信时一般不能直接相连；

（3）UART没有规定不同器件连接时连接器的标准，所以不同器件之间通过UART通信时连接不方便。

（4）UART一般直接使用TTL信号来表示0和1，但TTL信号的抗干扰能力较差，数据在传输过程中很容易出错。

（5）由于TTL信号的抗干扰能力较差，所以其通信距离很短，一般只能用于一个电路板上的两个不同芯片之间的通信。

2、I2C通信

I2C是一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以通过该地址来访问不同设备。主机通过SDA线发送设备地址（SLAVE_ADDRESS）查找从机，SLAVE_ADDRESS可以是7位或10位，紧跟着SLAVE_ADDRESS的一个数据位用来表示数据传输方向，即第8位或11位。为0时表示写数据，为1时表示读数据。

I2C 总线由起始信号、停止信号、应答信号、非应答信号组成。起始信号SCL为高，SDA由高变低；停止信号SCL为高，SDA由低变高；应答信号第9个时钟周期，SDA为低；非应答信号第9个时钟周期，SDA为高；

开始位：当SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平的期间，这表示主机控制器要开始发起访问了。

地址位：接下来的7个时钟周期，主机控制器将会发送从机的7位地址(如果是10位地址需要分两次发送)。

读写位：在第8个时钟周期，如果SDA位高电平则表示接下来要读取从机数据，如果是低电平则表示主机要写数据到从机。

应答位：在第9个时钟周期由从机进行应答，低电平为ACK，，高电平为NACK，如果从机响应，应该法ACK。

数据位：在接下来的若干个周期内，主机可以持续读取数据(如果读写位为读)，或写数据(如果读写位为写)，每次数据传输完成，也要进行应答，是读则由主机控制器应答，是写则由从机应答，只是在主机读完最坏一个字节的数据后应该以NACK来应答。

停止位：当SCL位高电平时，SDA由低电平变为高电平期间，表示主机控制器结束了对从机的访问。

I2C的一大特点是可以在同一条总线上接多个主机。两个及以上的主机同时发起传输请求时，需要通过仲裁（Arbitration）确定哪个主机获得总线的使用权；另外，每个主机都独立产生时钟，时钟速率可能千差万别，这也需要时钟同步（Clock Synchronization）解决时钟速率不一致的问题。在单主机的I2C系统中，不需要时钟同步和仲裁。

时钟同步是通过I2C接口的“线与”逻辑实现的。SCL信号线由高变低时，所有连接在SCL上的主机都开始计数低电平的时间（低电平计数器复位），由前文对“线与”逻辑的介绍可知：只有当SCL总线上所有主机的时钟输出端都为高时，SCL总线才会由低变高。SCL的低电平时间由总线上低电平时间最长的主机决定。时钟端口先跳变为高的其它主机进入等待状态。这样所有主机的时钟输出和SCL线上的状态保持相同；当SCL由低变高后，所有主机（高电平计数器）开始计数SCL高电平的时间；最早由高跳变到低的主机再次将SCL拉低。通过这种方式产生的同步时钟：其低电平时间是所有主机时钟中最长的低电平时间，其高电平时间是所有主机时钟中最短的高电平时间。

当总线上有一个以上的主机时，协议通过仲裁的方法确定哪个主机获得总线的使用权。从机不参与仲裁的过程。当总线处于空闲状态（IDLE）时，在最小的保持时间内（tHD;STA），多个主机都可能发起开始条件（START）在总线上传输数据。仲裁用来判断哪个主机的传输可以正常进行。

仲裁是按位进行的。仲裁开始时，对于每一位数据，SCL为高时，每个主机都检测SDA上的数据是否和自己发送的数据相同。可能需要进行多个位（bit）的比较，主机才开始检测到SDA上数据和自己发送的不一致。实际上，只要SDA上的数据和主机发送的数据一致，这些主机就可以将数据一致发送下去。当主机发送为HIGH，检测SDA上电平却为LOW，那么该主机就在仲裁中失去主控权，并将其SDA输出关闭。余下的主机获得总线控制权并继续数据的传输。如图8，当主机1在检测到SDA数据和它自身的输出DATA1不一致时，将自动关闭DATA1的输出，停止向总线上发送数据。

I2C总线一般只有上拉电阻，总线电容是来自芯片管脚的容性负载，总线100k速率可以使用的容限在10pF-400pF之间，400k速率可以使用的总线容限10pF-200pF之间。控制总线电容主要是控制连接在同一总线的器件数量。

3、SPI通信

SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。

SPI主要用于EEPROM、Flash、RTC（实时时钟）、ADC（数模转换器）、DSP（数字信号处理器）以及数字信号解码器上。目前应用中的数据速率可达几Mbps。SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备Master来控制从设备Slave。一个Master可以通过提供clock以及对Slave进行片选（Slave Select）来控制多个S