SPI、I2C和UART

标签：通信接口

1. 接口
   SPI接口经常被称为4线串行总线，以主/从方式工作，数据传输过程由主机初始化。如图1所示，其使用的4条信号线分别为：
   1) SCLK：串行时钟，用来同步数据传输，由主机输出；
   2) MOSI：主机输出从机输入数据线，通常先传输MSB；
   3) MISO：主机输入从机输出数据线，通常先传输LSB；
   4) SS：片选线，低电平有效，由主机输出。
   在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机，主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。
   
2. 数据传输
   在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：
   1) 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；
   2) 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。
   这是通过移位寄存器来实现的。如图2所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。
   
3. 时钟极性和时钟相位
   在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA或UCCKPH）。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。
   主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。
   举例来说，分别选取MSP430控制器和OLED驱动SH1101A为主从机，图3和图4为它们的SPI时序。由图4可知，SH1101A的SPI时钟空闲时为高电平，并且在后时钟沿接收数据，则MSP430控制器SPI的设置应与此保持一致。从图3中可以看出，要使得时钟在空闲时为高电平，应将UCCKPL置1；要使得在后时钟沿接收数据，应将UCCKPH清零。
   
   
4. 优缺点
   SPI接口具有如下优点：
   1) 支持全双工操作；
   2) 操作简单；
   3) 数据传输速率较高。
   同时，它也具有如下缺点：
   1) 需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；
   2) 只支持单个主机。

二、I2C

1. 接口
   
   I2C接口包括时钟线（SCL）和数据线（SDA）。这两条线都是漏极开路或者集电极开路结构，使用时需要外加上拉电阻，可以挂载多个设备。每个设备都有自己的地址，主机通过不同地址来选中不同的设备。
2. 一般操作
   1）主机给从机发数据
   • 发送开始条件START和从机地址；
   • 发送数据；
   • 发送停止条件STOP结束。
     2）主机从从机读取数据
   • 发送开始条件START和从机地址；
   • 发送要读取的地址；
   • 读取数据；
   • 发送停止条件STOP结束。
     2.1开始和结束条件
     当SCL保持高电平期间，SDA从高电平跳变到低电平，即为开始条件START。当SCL保持高电平期间，SDA从低电平跳变到高电平，即为结束条件STOP。
     
     2.2 重复的起始条件
     与起始条件的区别是，它出现在结束条件STOP之前。例如读取数据时，发送START、从机地址、要读取的地址后，不需要发送STOP，而可以发送重复起始条件和从机地址，开始数据读取。
     2.3 ACK和NACK
     数据传输时先传MSB。接收者在每个字节后的第9个时钟周期将SDA保持低电平进行确认数据接收成功；而在第9个时钟周期将SDA保持高电平表示数据传输出错，或者主机不再想接收数据。
     
     
     3. 数据读写
        1）写数据
        
        2）读数据
        
     4. 优缺点
        1）优点
        只使用两条信号线；
        支持多主机多从机；
        有应答机制。
        2）缺点
        速率比SPI慢。

三、UART
UART是一种异步传输接口，不需要时钟线，通过起始位和停止位及波特率进行数据识别。

1. 接口
   UART仅使用两条线TXD和RXD用于数据的发和收。
   
2. 数据格式
   1）起始位
   数据线空闲状态为高电平，要发送数据时将其拉低一个时钟周期表示起始位。
   2）数据位
   使用校验位时，数据位可以有5~8位；如果不使用校验位，数据位可以达9位。
   3）校验位
   奇偶校验，保证包括校验位和数据位在内的所有位中1的个数为偶数。
   4）停止位
   为了表示数据包的结束，发送端需要将信号线从低电平变为高电平，并至少保持2个时钟周期。
3. 优缺点
   1）优点
   只使用两条信号线；
   不需要时钟信号；
   有校验位进行错误检测；
   2）缺点
   传输速率比较低。

SPI、I2C和UART

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