常用的通信协议

2022-05-09

常用通讯协议(SPI、IIC、UART)；

一、USART和UART:

USART:通用同步异步收发器，USART是一个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

UART: 通用异步收发器，异步串行通信口(UART)就是我们在嵌入式中常说的串口，它还是一种通用的数据通信议。

异步通讯时二者无区别，同步通讯时USART可以提供主动时钟。

均为全双工通信。

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始。

数据位：传输N bits。

校验位(可选)：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。

如传输“A”(01000001)为例,”A”字符的8个bit位中有两个1。当为奇数校验时该位为1；当为偶数校验时该位为0。

停止位：它是一帧数据的结束标志。可以是1bit、1.5bit、2bit的空闲电平。

空闲位：没有数据传输时线路上的电平状态。为逻辑1。

传输方向：即数据是从高位(MSB)开始传输还是从低位(LSB)开始传输。比如传输“A”如果是MSB那么就是01000001，如果是LSB那么就是10000010

帧间隔：即传送数据的帧与帧之间的间隔大小，可以以位为计量也可以用时间(知道波特率那么位数和时间可以换算)。比如传送”A”完后，这为一帧数据，再传”B”，那么A与B之间的间隔即为帧间隔。

波特率定义：有效数据信号调制载波的速率，每秒传输1或0的个数；

例如：串口传输速率为9600bps，每秒可传输多少字节？

起始位：1 数据位：8

停止位：1 校验位：0

传输1字节数据，需要传输10bit，因此：

9600 ÷ 10 = 960Byte

二、IIC通讯协议：

IIC协议为半双工协议。

全双工指在发送数据的同时也能够接收数据；

半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生；

数据有效传输在scl信号的高电平期间，sda数据线保持稳定，在scl为低电平时允许sda数据线变化。

起始条件在scl为高电平期间，sda出现下降沿，则为起始信号。

结束条件在scl为高电平期间，sda出现上升沿，则为结束信号。

注意：注意起始和终止信号都是由主机发出的，总线在起始条件之后，视为忙状态，在停止条件之后被视为空闲状态。

应答（ACK，Acknowledgement）。即确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。主机每向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，来确认从机是否成功接收到了数据，从机应答主机所需要的时钟也是由主机提供的，应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答。，需要应答时，数据发出方将SDA总线设置为3态输入，由于IIC总线上有上拉电阻，因此此时总线默认高电平，若数据接收方正确接收到数据，则数据接收方将SDA总线拉低，以示正确应答。

IIC传输时时从MSB开始传输到LSB结束。MSB是Most Significant Bit的缩写，最高有效位。在二进制数中，MSB是最高加权位。与十进制数字中最左边的一位类似。通常，MSB位于二进制数的最左侧，LSB位于二进制数的最右侧。LSB，英文 least significant bit，中文义最低有效位。

写时序：

ID_Address, REG_Address, W_REG_Data

产生start位；

传送器件地址ID_Address，器件地址的最后一位为数据的传输方向位，R/W，低电平0表示主机往从机写数据（W），1表示主机从从机读数据（R）。ACK应答，应答是从机发送给主机的应答，这里不用管；

传送写入器件寄存器地址，即数据要写入的位置。同样ACK应答不用管；

传送要写入的数据。ACK应答不用管；

产生stop信号；

读时序：

{ID_Address + REG_Address} + {ID_Address + R_REG_Data}

产生start信号

传送器件地址（写ID_Address），ACK。

传送字地址（写REG_Address），ACK。

再次产生start信号

再传送一次器件地址，ACK。

读取一个字节的数据，读数据最后结束前无应答ACK信号。

产生stop信号。

三、SPI通讯协议

引脚定义：

四根逻辑线：

MISO：Master input slave output 主机输入，从机输出（数据来自从机）；
MOSI：Master output slave input 主机输出，从机输入（数据来自主机）；
SCLK ：Serial Clock 串行时钟信号，由主机产生发送给从机；
SS：Slave Select 片选信号，由主机发送，以控制与哪个从机通信，通常是低电平有效信号。

其他制造商可能会遵循其他命名规则，但是最终他们指的相同的含义。以下是一些常用术语；

MISO也可以是SIMO，DOUT，DO，SDO或SO（在主机端）;
MOSI也可以是SOMI，DIN，DI，SDI或SI（在主机端）;
NSS也可以是CE，CS或SSEL;
SCLK也可以是SCK;

数据传输：

数据的采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低）。

具体要看对SPI的配置；

整体的传输大概可以分为以下几个过程：

主机先将NSS信号拉低，这样保证开始接收数据；
当接收端检测到时钟的边沿信号时，它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）;
由于时钟是随数据一起发送的，因此指定数据的传输速度并不重要，尽管设备将具有可以运行的最高速度（稍后我们将讨论选择合适的时钟边沿和速度）。
主机发送到从机时：主机产生相应的时钟信号，然后数据一位一位地将从MOSI信号线上进行发送到从机；
主机接收从机数据：如果从机需要将数据发送回主机，则主机将继续生成预定数量的时钟信号，并且从机会将数据通过MISO信号线发送；

具体如下图所示：

注意，SPI是“全双工”（具有单独的发送和接收线路），因此可以在同一时间发送和接收数据，另外SPI的接收硬件可以是一个简单的移位寄存器。这比异步串行通信所需的完整UART要简单得多，并且更加便宜；

一些配置：

时钟频率
SPI总线上的主机必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。

主机在MOSI线上发送一位数据，从机读取它，而从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。

就算只进行单向的数据传输，也要保持这样的顺序。这就意味着无论接收任何数据，必须实际发送一些东西！在这种情况下，我们称其为虚拟数据；

从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是您想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性 CKP/Clock Polarity
除了配置串行时钟速率（频率）外，SPI主设备还需要配置时钟极性。

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；

CKP可以配置为1或0。这意味着您可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。您必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；

CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1；

时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)
除配置串行时钟速率和极性外，SPI主设备还应配置时钟相位（或边沿）。根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA；

顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；

CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样；

时钟配置总结
综上几种情况，下图总结了所有时钟配置组合，并突出显示了实际采样数据的时刻；

其中黑色线为采样数据的时刻；
蓝色线为SCK时钟信号；

具体如下图所示；

多从机模式：

前面说到SPI总线必须有一个主机，可以有多个从机，那么具体连接到SPI总线的方法有以下两种：

第一种方法：多NSS

通常，每个从机都需要一条单独的SS线。
如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他NSS信号线的状态为高电平；如果同时将两个NSS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

具体连接方式如下图所示；

第二种方法：菊花链

在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。

菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；
另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况；

具体的连接如下图所示；

其中红线加粗为数据的流向；

所以最终的数据流向图可以表示为：

SCK为时钟信号，8clks表示8个边沿信号；
其中D为数据，X为无效数据；

所以不难发现，菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整个链充当通信移位寄存器，每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。

优缺点：

优势：

使SPI作为串行通信接口脱颖而出的原因很多；

全双工串行通信；
高速数据传输速率。
简单的软件配置；
极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

缺点：

没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
通常仅支持一个主设备；
需要更多的引脚（与I2C不同）；
没有定义硬件级别的错误检查协议；
与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

PS:IIC是MSB first ,UART是 LSB first，SPI是可配置的。
大小端问题描述的是字节之间的关系，而MSB、LSB描述的是bit位之间的关系。

一、USART和UART:

二、IIC通讯协议：

三、SPI通讯协议

引脚定义：

数据传输：

一些配置：

时钟频率

时钟极性 CKP/Clock Polarity

时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)

时钟配置总结

多从机模式：

第一种方法：多NSS

第二种方法：菊花链

优缺点：

优势：

缺点：

PS:IIC是MSB first ,UART是 LSB first，SPI是可配置的。