UART、SPI、I2C協(xié)議異同點(diǎn)

寫(xiě)在前文： 這似乎是一個(gè)更側(cè)重于軟件層面的話題，直到我多次在硬件方案選型、layout布線等場(chǎng)合下，才發(fā)現(xiàn)我需要考量的并不僅僅只是電路設(shè)計(jì)或工藝制程方面的內(nèi)容。后來(lái)我才開(kāi)始反思，雖說(shuō)“術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻”，但作為一名研發(fā)工程師，你所需要立項(xiàng)的新方案、你所碰到的問(wèn)題并不會(huì)挑“你所認(rèn)為的硬件或軟件才需要懂的知識(shí)”來(lái)和你碰面。除非，你想做一個(gè)“只聽(tīng)人家吩咐而做事”的技術(shù)工。

I2C、SPI、UART都是常見(jiàn)的低速板級(jí)通信協(xié)議 ，目前主流的SoC都內(nèi)置了這些通訊協(xié)議的控制器，同樣，各種傳感器、Touch控制器、指紋模塊、藍(lán)牙模塊、WIFI模塊也都兼容這三種通信方式的一種或幾種。對(duì)于這三種通信協(xié)議的差別，可以區(qū)分到非常細(xì)，包括信號(hào)的單位、傳輸協(xié)議中的封包格式等。

UART一般由TXD、RXD、GND三根線組成，是一種異步傳輸協(xié)議。無(wú)論是主機(jī)還是從機(jī)，均可以自由發(fā)送數(shù)據(jù)，但是由于UART總線并沒(méi)有時(shí)鐘線，所以需要提前約定對(duì)應(yīng)的波特率，這是一種很簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議，以此基礎(chǔ)再搭電路可以實(shí)現(xiàn)RS-232、RS-242、RS-485等通信協(xié)議。過(guò)去老式電腦是具備RS-232接口的，但近10年的電腦都只具備USB，因此通常需要透過(guò)一個(gè)UART轉(zhuǎn)USB的轉(zhuǎn)接電路才能互相連接。UART比較簡(jiǎn)單，所以CPU輸出log一般都是通過(guò)一個(gè)UART口來(lái)輸出，是目前最常用的調(diào)試接口，其傳輸速度比較慢，傳統(tǒng)的傳輸速度在115200bps或以下，不過(guò)現(xiàn)在大部分UART控制器也能支持到4Mbps或者8Mbps了。

I2C是兩根線，SDA（數(shù)據(jù)）和SCL（時(shí)鐘），是一種半雙工同步傳輸協(xié)議。主機(jī)在發(fā)送開(kāi)始信號(hào)之后，先發(fā)送7個(gè)比特的地址位和1個(gè)比特的讀寫(xiě)位，每個(gè)從機(jī)有自己的I2C地址，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該條指令是發(fā)給自己的時(shí)候，拉低SDA線（即回復(fù)ACK信號(hào)），然后主機(jī)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，完成傳輸。傳輸完成之后，主機(jī)發(fā)送停止位，完成該次傳輸。I2C最早是由PHILIPS提出來(lái)的，用于晶片間的傳輸，理論上可以連接128個(gè)從機(jī)（一般最多只接10個(gè)）,原則上只能以PCB板上的銅箔線路來(lái)走，然而目前許多應(yīng)用卻是把I2C纜線化。另外，I2C總線的管腳都是開(kāi)漏輸出，必須外接上拉電阻，阻值可以根據(jù)總線速度來(lái)推算，一般我們常用400kbps傳輸速率(標(biāo)準(zhǔn)模式：100kbps，快速模式：400kbps，高速模式：3.4Mbps)，上拉電阻選用2.2K。

SPI是四根線，分別是CS（片選）、MOSI（主發(fā)從收）、MISO（從發(fā)主收）、CLK（時(shí)鐘），是一種全雙工同步傳輸協(xié)議。主機(jī)送出CLK信號(hào)，主機(jī)到從機(jī)的數(shù)據(jù)在MOSI線上傳輸，從機(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)在MISO線上傳輸。在啟動(dòng)傳輸之前，需要先拉低（一般是這樣，也有各別芯片是CS高有效）對(duì)應(yīng)從機(jī)的CS管腳，在傳輸完成之后，再拉高CS管腳，從機(jī)的SPI Slave模塊進(jìn)入休眠。SPI由Motorola發(fā)明，與I2C相同可以接多個(gè)從機(jī)，只是每增加一個(gè)從機(jī)，線路至少要增加一條，其發(fā)送與接收可以同時(shí)進(jìn)行，傳輸速度可達(dá)到幾Mbps水平，比I2C快。

UART和后面兩者最大的區(qū)別在于后面兩者是同步的，要有統(tǒng)一的時(shí)鐘線，而UART不需要，接線方便，但收發(fā)雙方都需要配置相同的波特率，即設(shè)備要有自己的時(shí)鐘源；I2C協(xié)議中是有地址規(guī)則的，因此在一對(duì)多通信的時(shí)候更有優(yōu)勢(shì)。常用來(lái)連接傳感器；SPI編程簡(jiǎn)單，在設(shè)備不多，端口充足，對(duì)通信速度要求不高的場(chǎng)合可以應(yīng)用，較常用來(lái)連接EEPROM、FLASH或液晶顯示器。

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