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參考博客

https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/80342459

https://blog.csdn.net/weiqifa0/article/details/8845281

https://www.zhihu.com/question/22632011

http://www.360doc.cn/article/13253385_330564821.html

https://blog.csdn.net/zhuyongxin_6688/article/details/78001767（有圖，薦）

https://blog.csdn.net/Setul/article/details/78968242

目錄

一、名字

二、UART、SPI、I2C對比

三、串行外設(shè)接口：SPI

1、速覽點

2、數(shù)據(jù)傳輸

3、spi讀寫

四、IC之間總線：I2C

1、速覽點

2、詳細(xì)介紹

3、時序

4、代碼

五、通用異步收發(fā)器：UART

1、速覽點

2、通信協(xié)議

3、詳細(xì)介紹

4、代碼學(xué)習(xí)

六、心得體會

1、通信接口分為物理層（硬件）和協(xié)議層

2、關(guān)于總線的選擇問題

七、UART和RS232的聯(lián)系和區(qū)別

1、RS232

2、UART

3、TTL和RS232

4、嵌入式常用串口實物圖

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一、名字

• SPI(Serial Peripheral Interface：串行外設(shè)接口)，是Motorola公司提出的一種同步串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。
• I2C(INTER IC BUS：IC之間總線)，是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。
• UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用異步收發(fā)器)，是電腦硬件的一部分，它把將要傳輸?shù)馁Y料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換，UART通常被集成于其他通訊接口的連接上。UART即我們通常說的“串口”。

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二、UART、SPI、I2C對比

UART、SPI、I2C對比表格

對比項	? ? ? ? ?UART	? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?SPI	? ? ? ? ? ? I2C
信號線數(shù)目	3根，RX、TX、GND	4根，SDO、SDI、SCLK、SS	2根，SDA、SCLK
設(shè)備從屬關(guān)系	? ? ? ? ? ?——	存在主從設(shè)備。SPI用片選信號選擇從機?	存在主從設(shè)備。IIC用地址選擇從機。
通信方式	全雙工通信	全雙工通信	半雙工通信
通信速率	速度慢	比I2C總線要快，速度可達到幾Mbps	I2C的速度比SPI慢
應(yīng)用領(lǐng)域	1、UART常用于控制計算機與串行設(shè)備的芯片 2、就是我們經(jīng)常所說的串口，基本都用于調(diào)試。	主要應(yīng)用在EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間	I2C一般是用在同一個板子上的2個IC之間的通信 ，它可以替代標(biāo)準(zhǔn)的并行總線，連接各種集成電路和功能模塊。
傳輸距離	?	?	I2C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
通信特征	異步，一幀可以傳5/6/7/8位	同步，SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停。從最高位開始傳。	同步，電平信號，一次連續(xù)8bit。從最高位開始傳
協(xié)議復(fù)雜度	結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜	SPI實現(xiàn)要比UART簡單，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，因為它是有時鐘的協(xié)議。	協(xié)議比SPI復(fù)雜，但是連線比標(biāo)準(zhǔn)的SPI要少
對比	?	在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信,顯得簡單高效。 在多個從器件的系統(tǒng)中,每個從器件需要獨立的使能信號,硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。	?

三、串行外設(shè)接口：SPI

1、速覽點

（1）四條信號線：串行時鐘(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)、串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)、片選線（SS）。（所謂的進出，是針對信號進出主機而言）

（2）SPI總線可以實現(xiàn)多SPI設(shè)備互相連接。提供時鐘的SPI設(shè)備為主設(shè)備(Master)，其他設(shè)備為從設(shè)備(Slave)。SCLK信號線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號線。

（3）在SPI總線上，某一時刻可以出現(xiàn)多個從機，但只能存在一個主機。主機通過片選線來確定要通信的從機。這就要求從機的MISO口具有三態(tài)特性，使得該口線在器件未被選通時表現(xiàn)為高阻抗。

（4）主從設(shè)備間可以實現(xiàn)全雙工通信，收發(fā)獨立，操作簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，但需要占用主機較多的口線（每個從機都需要一根片選線），而且只支持單個主機，沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)輸出通過SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上沿或下沿時改變（即發(fā)送），在緊接著的下沿或上沿被讀取，從而完成一位數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸入也使用同樣原理。因此，8位數(shù)據(jù)的傳輸，至少需要8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次）。

（6）普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時鐘跳變時，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。

（7）SPI接口在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前（先傳？），低位在后，為全雙工通信。

2、數(shù)據(jù)傳輸

（1）SPI在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，需要確定兩件事情：

• 其一，數(shù)據(jù)是在時鐘的上升沿采集還是下降沿采集；
• 其二，時鐘的初始(空閑)狀態(tài)是為高電平還是低電平。
• 對比：I2C空閑狀態(tài)時，時鐘線（不是數(shù)據(jù)線？）為高電平，數(shù)據(jù)采集時，時鐘線也為高電平，但SPI給出了更自由的方式。

（2）兩個概念

CPOL：時鐘極性，表示SPI在空閑時，時鐘信號是高電平還是低電平。

CPHA：時鐘相位，表示SPI設(shè)備是在在時鐘的上升沿采集還是下降沿采集。

則SPI數(shù)據(jù)傳輸就有四種可能---按照標(biāo)準(zhǔn)的說法，SPI數(shù)據(jù)傳輸就有四種模式。

（3）四種模式

模式	CPOL	CPHA
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

模式0（杠cs表示片選信號）

模式1

模式2

模式3

3、spi讀寫

（1）SPI在硬件設(shè)計上采用的雙數(shù)據(jù)線制，根據(jù)設(shè)計，在SPI通信過程中，主從設(shè)備之間會形成一個數(shù)據(jù)環(huán)形鏈路——即主設(shè)備向從設(shè)備寫一次數(shù)據(jù)，從設(shè)備就會回一次數(shù)據(jù)(至于從設(shè)備回復(fù)的數(shù)據(jù)是否有效，則另當(dāng)別論——如果有效，主設(shè)備就把它讀入，否則丟棄）

（2）例子：假設(shè)上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。

假設(shè)主機8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010

那么第一個上升沿時，數(shù)據(jù)將會是SDO=1，寄存器=0101010x

下降沿到來的時候，SDI上的電平將存到主機的寄存器中的最低位（最右邊），SDO上的電平將存到從機的寄存器的最低位（最右邊），則此時主機寄存器=0101010SDI（SDI表示1bit），從機寄存器=1010101SDO。

這樣在 8個時鐘脈沖以后，兩個寄存器的內(nèi)容互相交換一次，這樣就完成里一個spi時序。

假定主機和從機初始化就緒，并且主機的sbuff=0xaa=0b1010?1010，從機的sbuff=0x55=0b0101 0101?

下面將分步對SPI的8個時鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍

（1）上表示上升沿、下表示下降沿，SDI、SDO相對于主機而言的。

（2）ss引腳作為主機時，從機可以把它拉低，被動選為從機；作為從機時，可以作為片選腳用。

（3）根據(jù)以上分析，一個完整的傳送周期是16位。因為主機首先要發(fā)送命令過去，然后從機準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，主機在下一個8位時鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來。

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四、IC之間總線：I2C

1、速覽點

（1）由圖可知

• 由兩條信號線組成：串行數(shù)據(jù)線(SDA)、串行時鐘線(SCL)。
• 由1，2箭頭指示可知，I2C器件內(nèi)部采用開漏的方法，總線被上拉。
• 那么總線狀態(tài)只能被下拉為0（當(dāng)MOS管輸入0的時候）。
• 只要有一方下拉了總線，總線狀態(tài)必定為0。

（2）任何一個設(shè)備都能像主控器一樣工作，并控制總線，但同一時刻只能有一個主控設(shè)備。

（3）總線上的每一個設(shè)備都有一個獨一無二的地址，根據(jù)設(shè)備的能力，作為發(fā)射器或接收器工作。

（4）在它的協(xié)議體系中，傳輸數(shù)據(jù)時都會帶上目的設(shè)備的設(shè)備地址，因此可以實現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)。

（5）連接到相同總線的IC?數(shù)量只受到總線的最大電容限制。

（6）SDA傳輸數(shù)據(jù)是大端傳輸（高位先傳，低位后傳？），是以字節(jié)為單位的。

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2、詳細(xì)介紹

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/72356722

3、時序

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/72356722

https://blog.csdn.net/Mr_Lyoko/article/details/79598106

4、代碼

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/72358553

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五、通用異步收發(fā)器：UART

1、速覽點

（1）UART由波特率產(chǎn)生器、UART接收器、UART發(fā)送器組成。

（2）由三條信號線組成：RX、TX、GND

（3）UART包括RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。它們的主要區(qū)別在于其各自的電平范圍不相同。 嵌入式設(shè)備中常常使用到的是TTL、TTL轉(zhuǎn)RS232的這種方式。

2、通信協(xié)議

（1）起始位：先發(fā)出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸字符的開始。

（2）數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個字符。通常采用ASCII碼。

（3）奇偶校驗位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)，以此來校驗資料傳送的正確性。

（4）停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。

（5）空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。

（6）波特率：數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。有以下幾個檔位：300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、57600、115200。在數(shù)據(jù)傳輸和接收雙方，需要預(yù)先統(tǒng)一波特率，以便正確的傳輸數(shù)據(jù)。

3、詳細(xì)介紹

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71597893

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71597575

https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/80342459

4、代碼學(xué)習(xí)

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71601785

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六、心得體會

1、通信接口分為物理層和協(xié)議層

（1）物理層（硬件）：如UART，PC和單片機通信，PC機的串口是232電平而單片機的串口是TTL電平，兩個設(shè)備之間通信如果電平不一致就相當(dāng)于語言不通，造成邏輯混亂。因此一般的單片機系統(tǒng)板上都會有一個串口模塊電路（串口控制器）用來進行電平轉(zhuǎn)換，將PC機的232電平轉(zhuǎn)化成單片機能識別的232電平，常用芯片如PL2303、CH340。

（2）協(xié)議層：就相當(dāng)于規(guī)定了一個標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)則，比如SPI協(xié)議中，主機向從機發(fā)出一個數(shù)據(jù)，從機接收到后會發(fā)出應(yīng)答信號，這就是協(xié)議規(guī)定的內(nèi)容，不需要人為干預(yù)。當(dāng)然有的單片機沒有這些協(xié)議的控制器（硬件），如51單片機和24c02通信，需要模擬IIC協(xié)議，用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，這就增加了軟件的復(fù)雜度。

2、總線的選擇

（1）SPI總線有4根線，分別是SCK，SDO，SDI，SS，可以掛多個從設(shè)備，但是在掛多個從設(shè)備時，主設(shè)備端還需要做一個n選一的譯碼器，用于選擇將要訪問的從設(shè)備，因此，主設(shè)備上的管腳需求比較多。SPI總線在只有一個從設(shè)備時，只要用到SCK，SDO，SDI這三根線，此時選擇SPI比I2C總線占優(yōu)。

（2）I2C總線只有兩根線，SCL，SDA.，也可以掛多個從設(shè)備，對從設(shè)備的選擇直接依靠協(xié)議完成，無需增加物理連線。一般情況下，當(dāng)一塊電路板上有多個從設(shè)備時，往往選用I2C而非SPI，因為SPI增加了額外額硬件開銷以及電路板走線。

（3）I2C和SPI總線一般是讀取一些PROM等從設(shè)備用。 而串行通信接口SCI（UART?），主要應(yīng)用在兩個智能設(shè)備之間的互相通訊。有別于SPI和I2C總線的主從模式，SCI可以是主-主模式。

-----另一種說法

（1）總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/信號路由/硬件資源耗費

IIC 只需兩根信號線，而標(biāo)準(zhǔn)SPI至少四根信號，如果有多個從設(shè)備，信號需要更多。一些SPI變種雖然只使用三根線——SCLK, SS和雙向的MISO/MOSI，但SS線還是要和從設(shè)備一對一根。另外，如果SPI要實現(xiàn)多主設(shè)備結(jié)構(gòu)，總線系統(tǒng)需額外的邏輯和線路。用IIC 構(gòu)建系統(tǒng)總線唯一的問題是有限的7位地址空間，但這個問題新標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)解決——使用10位地址。從第一點上看，IIC是明顯的大贏家。

（2）數(shù)據(jù)吞吐/傳輸速度

如果應(yīng)用中必須使用高速數(shù)據(jù)傳輸，那么SPI是必然的選擇。因為SPI是全雙工，IIC 的不是。SPI沒有定義速度限制，一般的實現(xiàn)通常能達到甚至超過10 Mbps。IIC 最高的速度也就快速+模式（1 Mbps）和高速模式（3.4 Mbps），后面的模式還需要額外的I/O緩沖區(qū)，還并不是總是容易實現(xiàn)的。

（3）優(yōu)雅性

IIC 常被稱更優(yōu)雅于SPI。公正的說，我們更傾向于認(rèn)為兩者同等優(yōu)雅和健壯。IIC的優(yōu)雅在于它的特色——用很輕盈的架構(gòu)實現(xiàn)了多主設(shè)備仲裁和設(shè)備路由。但是對使用的工程師來講，理解總線結(jié)構(gòu)更費勁，而且總線的性能不高。SPI的優(yōu)點在于它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)闹庇^簡單，容易實現(xiàn)，并且有很好擴展性。SPI的簡單性不足稱其優(yōu)雅，因為要用SPI搭建一個有用的通信平臺，還需要在SPI之上構(gòu)建特定的通信協(xié)議軟件。也就是說要想獲得SPI特有而IIC沒有的特性——高速性能，工程師們需要付出更多的勞動。另外，這種自定的工作是完全自由的，這也說明為什么SPI沒有官方標(biāo)準(zhǔn)。IIC和SPI都對低速設(shè)備通信提供了很好的支持，不過，SPI適合數(shù)據(jù)流應(yīng)用，而IIC更適合“字節(jié)設(shè)備”的多主設(shè)備應(yīng)用。

（4）小結(jié)

在數(shù)字通信協(xié)議簇中，IIC和SPI常稱為“小”協(xié)議，相對Ethernet, USB, SATA, PCI-Express等傳輸速度達數(shù)百上千兆字節(jié)每秒的總線。但是，我們不能忘記的是各種總線的用途是什么。“大”協(xié)議是用于系統(tǒng)外的整個系統(tǒng)之間通信的，“小”協(xié)議是用于系統(tǒng)內(nèi)各芯片間的通信，沒有跡象表明“大”協(xié)議有必要取代“小”協(xié)議。IIC和SPI的存在和流行體現(xiàn)了“夠用就好”的哲學(xué)。

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七、UART和RS232的聯(lián)系和區(qū)別

1、RS232

RS232是早期的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)，它描述了使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)進行通信時的電平要求（定義多少電平表示數(shù)據(jù)0和1）、接線要求、線材要求，其實更多的是電平標(biāo)準(zhǔn)。

2、UART

UART是通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），既然是“器”，顯然，它就是個設(shè)備而已，要完成一個特定功能的硬件。它最基本的功能是串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

另外UART還要控制數(shù)據(jù)的格式（波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位等內(nèi)容），這表示它也是異步串行通信的一種方式，它本身不是協(xié)議，但具有協(xié)議的特征，然而比RS232協(xié)議更具一般性。

因此可以說，UART同時具有硬件和協(xié)議的范疇。

3、TTL和RS232

在嵌入式MCU中的UART使用TTL電平，而在PC中的UART使用的則是RS232電平。所以UART并沒有規(guī)范該使用什么電平，取決于你使用什么通信標(biāo)準(zhǔn)。即UART可以使用RS232規(guī)定的電平來通信，也可以用其他協(xié)議規(guī)定的電平來工作。

P.s：RS232與常見的TTL電平不同，RS232采用的是負(fù)邏輯，因此一般會使用MAX-232雙向轉(zhuǎn)化芯片。

TTL標(biāo)準(zhǔn)：低電平為0，高電平為1（+5V電平，3.3V以上即可）

RS-232標(biāo)準(zhǔn)：正電平為0，負(fù)電平為1（±15V電平）

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4、注意RS232不是接口標(biāo)準(zhǔn)，DB9、DB25才叫接口標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在RS232用的多的都是DB9。

5、接設(shè)備的時候，一般只接GND RX TX。不會接Vcc或者+3.3v的電源線，避免與目標(biāo)設(shè)備上的供電沖突。

6、PL2303、CP2102芯片是USB轉(zhuǎn)TTL串口的芯片，用USB來擴展串口(TTL電平)。

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4、嵌入式常用串口實物圖

（1）串口（嵌入式中指的是UART）、COM口

（兩者同概念？COM口有兩種物理標(biāo)準(zhǔn)：D型9針插頭和?4針杜邦頭。左圖是UART，中間是4針杜邦頭COM口，右圖是D型9針插頭。由此可知，4針杜邦頭和UART是一樣的？另外D型9針插頭我們一般只接GND、RXD、TXD，因此其實和UART是一樣的）

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（2）下圖是用PL2303芯片的USB轉(zhuǎn)TTL串口

下圖是用CP2102芯片的USB轉(zhuǎn)TTL串口

下圖是USB轉(zhuǎn)RS-232串口

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的SPI、I2C、UART 三种串行总线对比介绍的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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