UART, SPI, IIC的詳解及三者的區別和聯系


UART、SPI、IIC是經常用到的幾個數據傳輸標准,下面分別總結一下:


UART(Universal Asynchronous Receive Transmitter):也就是我們經常所說的串口,基本都用於調試。

主機和從機至少要接三根線,RX、TX和GND。TX用於發送數據,RX用於接受數據(收發不是一根線,所以是全雙工方式)。注意A和B通信A.TX要接B.RX,A.RX要接B.TX(A用TX發B當然要用RX來收了!)

如果A是PC機,B是單片機,A和B之間還要接一塊電平轉換芯片,用於將TTL/CMOS(單片機電平)轉換為RS232(PC機電平)。因為TTL/CMOS電平范圍是0~1.8/2.5/3.3/5V(不同單片機范圍不同),高電壓表示1,低電壓表示0。而RS232邏輯電平范圍-12V~12V,-5~-12表示高電平,+5~+12V表示低電平(對!你沒有聽錯)。為什么這么設置?這就要追溯到調制解調器出生時代了,有興趣自己去查資料!

數據協議:以PC機A給單片機B發數據為例(1為高電平,0為低電平):A.TX to B.RX。剛開始B.RX的端口保持1,當A.TX發來一個0作為起始位告訴B我要發數據了!然后就開始發數據,發多少呢?通常一次是5位、6位、7位、8位,這個雙方事先要用軟件設置好。PC機一般會用串口助手設置,單片機會在uart的驅動中設置。一小幀數據發送完了以后,A.TX給個高電平告訴B.RX我發完了一幀。如果還有數據,就再給個0然后重復上一步。如果雙方約定由校驗位,還要在發停止位1之前發送個校驗位,不過現在一般都不需要校驗位了,因為出錯的概率太小了,而且一般用於調試。

一般在串口助手上還有個RTS/CTS流控選項,也叫握手,我從來沒用過。搬一段我能理解的介紹:RTS(請求發送),CTS(清除發送)。如果要用這兩個功能,那就至少要接5根線:RX+TX+GND+RTS+CTS。當A要發送數據時,置RTS有效(可能是置1),告訴B我要發送數據了。當B准備好接受數據后,置CTS有效,告訴A你可以發了。然后他們就實現了兩次握手!挺耽誤時間是不是?這個RTS還可以當電源使用,如果你不用它的握手功能,且電源電流在50mA以下時,就可以把它置為高電平可以當電源用喔~!


SPI(Serial Peripheral Interface, 同步外設接口)是由摩托羅拉公司開發的全雙工同步串行總線,該總線大量用在與EEPROM、ADC、FRAM和顯示驅動器之類的慢速外設器件通信。

SPI是一種串行同步通訊協議,由一個主設備和一個或多個從設備組成,主設備啟動一個與從設備的同步通訊,從而完成數據的交換。SPI 接口由SDI(串行數據輸入),SDO(串行數據輸出),SCK(串行移位時鍾),CS(從使能信號)四種信號構成,CS 決定了唯一的與主設備通信的從設備,片選信號低電平有效。如沒有CS 信號,則只能存在一個從設備,主設備通過產生移位時鍾來發起通訊。通訊時,數據由SDO 輸出,SDI 輸入,數據在時鍾的上升或下降沿由SDO 輸出,在緊接着的下降或上升沿由SDI 讀入,這樣經過8/16 次時鍾的改變,完成8/16 位數據的傳輸。

 

IIC(Inter Integrated Circuit):兩根線:一個時鍾線SCL和一個數據線SDA。只有一根數據線,所以是半雙工通信。接線不難,而且兩根線上也可以掛很多設備(每個設備的IIC地址不同),數據協議比較麻煩:

還是假設A給B發數據(這里A.SCL接B.SCL, A.SDA接B.SDA)。起初SDA和SCL上的電平都為高電平。然后A先把SDA拉低,等SDA變為低電平后再把SCL拉低(以上兩個動作構成了iic的起始位),此時SDA就可以發送數據了,與此同時,SCL發送一定周期的脈沖(周期和PCLK有關,一般會在IIC的控制寄存器中設置)。SDA發送數據和SCL發送脈沖的要符合的關系是:SDA必須在SCL是高電平是保持有效,在SCL是低電平時發送下一位(SCL會在上升沿對SDA進行采樣)。規定一次必須傳8位數據,8位數據傳輸結束后A釋放SDA,但SCL再發一個脈沖(這是第九個脈沖),這會觸發B通過將SDA置為低電平表示確認(該低電平稱為ACK)。最后SCL先變為高電平,SDA再變為高電平(以上兩個動作稱為結束標志)如果B沒有將SDA置為0,則A停止發送下一幀數據。IIC總線(即SDA和SCL)上的每個設備都有唯一地址,數據包傳輸時先發送地址位,接着才是數據。一個地址字節由7個地址位(可以掛128個設備)和1個指示位組成(7位尋址模式)。指示位是0表示寫,1表示讀。還有10位尋址模式,使用兩個字節來保存地址,第一個字節的最低兩位和第二個字節的8位合起來構成10位地址。

在I2C總線的應用中應注意的事項總結為以下幾點 : 
1) 嚴格按照時序圖的要求進行操作, 
2) 若與口線上帶內部上拉電阻的單片機接口連接,可以不外加上拉電阻。 
3) 程序中為配合相應的傳輸速率,在對口線操作的指令后可用NOP指令加一定的延時。 
4) 為了減少意外的干擾信號將EEPROM內的數據改寫可用外部寫保護引腳(如果有),或者在EEPROM內部沒有用的空間寫入標志字,每次上電時或復位時做一次檢測,判斷EEPROM是否被意外改寫。

關於IIC總線的操作注意事項

1、對IIC總線的一次操作完之后,需要等待一段時間才能進行第二次操作。否則是啟動不了總線的:)
2、在時鍾線(SCL)為高電平的時候,一定不能動數據線(SDA)狀態,除非是啟動或者結束總線

 

2、UART, SPI, IIC的區別與聯系:

第一個區別當然是名字:

UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter:通用異步收發器)
SPI(Serial Peripheral Interface:串行外設接口);
I2C(INTER IC BUS)


第二,區別在電氣信號線上:


SPI總線由三條信號線組成:串行時鍾(SCLK)、串行數據輸出(SDO)、串行數據輸入(SDI)。SPI總線可以實現 多個SPI設備互相連接。提供SPI串行時鍾的SPI設備為SPI主機或主設備(Master),其他設備為SPI從機或從設備(Slave)。主從設備間可以實現全雙工通信,當有多個從設備時,還可以增加一條從設備選擇線。
如果用通用IO口模擬SPI總線,必須要有一個輸出口(SDO),一個輸入口(SDI),另一個口則視實現的設備類型而定,如果要實現主從設備,則需輸入輸出口,若只實現主設備,則需輸出口即可,若只實現從設備,則只需輸入口即可。

I2C總線是雙向、兩線(SCL、SDA)、串行、多主控(multi-master)接口標准,具有總線仲裁機制,非常適合在器件之間進行近距離、非經常性的數據通信。在它的協議體系中,傳輸數據時都會帶上目的設備的設備地址,因此可以實現設備組網。
如果用通用IO口模擬I2C總線,並實現雙向傳輸,則需一個輸入輸出口(SDA),另外還需一個輸出口(SCL)。(注:I2C資料了解得比較少,這里的描述可能很不完備)

 

UART總線是異步串口,因此一般比前兩種同步串口的結構要復雜很多,一般由波特率產生器(產生的波特率等於傳輸波特率的16倍)、UART接收器、UART發送器組成,硬件上由兩根線,一根用於發送,一根用於接收。
顯然,如果用通用IO口模擬UART總線,則需一個輸入口,一個輸出口。

第三,從第二點明顯可以看出,SPI和UART可以實現全雙工,但I2C不行;

第四,看看牛人們的意見吧!


wudanyu:I2C線更少,我覺得比UART、SPI更為強大,但是技術上也更加麻煩些,因為I2C需要有雙向IO的支持,而且使用上拉電阻,我覺得抗干擾能力較弱,一般用於同一板卡上芯片之間的通信,較少用於遠距離通信。SPI實現要簡單一些,UART需要固定的波特率,就是說兩位數據的間隔要相等,而SPI則無所謂,因為它是有時鍾的協議。
quickmouse:I2C的速度比SPI慢一點,協議比SPI復雜一點,但是連線也比標准的SPI要少。

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

SPI用片選信號選擇從機,IIC用地址選擇從機。

速率與傳輸距離

SPI 速率與芯片有關,有的400K,有的到幾兆;
rs232速率一般最大115200;
iic一般應用400K,CAN最高可到1M;
spi和iic一般應用在芯片之間通訊,RS232可應用與設備與設備之間短距離通訊,最大15米,CAN適用設備間通訊,抗干擾能力強,理論上通訊距離可到10KM


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