概述

UART（Universal Asynchronous Receive Transmitter）

通用异步收发器，即我们经常所说的串口，基本都用于调试。UART通信方式需要两根数据线RX、TX和地线GND。TX是用来发送数据，RX是用来接收数据，因为有两根数据线，收和发可以同时进行，所以它是全双工通信。

IIC（Inter Integrated Circuit）

IIC通信方式需要一根时钟线SCL和数据线SDA，由于其只有一根数据线，只能进行分时收发，所以是半双工通信，两条线上可以挂载许多设备，不同的设备以不同的IIC地址来区分。

SPI（Serial Peripheral Interface,）

串行外设接口，是摩托罗拉开发的全双工同步串行总线；SPI 接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，如没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由SDO 输出，SDI 输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO 输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI 读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。

工作方式

UART

时序图

工作原理

发送数据过程

空闲状态，线路处于高电位；当收到发送数据指令后，拉低线路一个数据位的时间 T，接着数据按低位到高位依次发送，数据发送完毕后，接着发送奇偶校验位和停止位（停止位为高电位），一帧数据发送结束。

接收数据过程

空闲状态，线路处于高电位；当检测到线路的下降沿（线路电位由高电位变为低电位）时说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕后，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知后续设备准备接收数据或存入缓存。由于UART是异步传输，没有传输同步时钟。为了能保证数据传输的正确性，UART 采用 16 倍数据波特率的时钟进行采样。每个数据有 16 个时钟采样，取中间的采样值，以保证采样不会滑码或误码。一般 UART 一帧的数据位数为 8，这样即使每个数据有一个时钟的误差，接收端也能正确地采样到数据。

接收数据时序

当检测到数据的下降沿时，表明线路上有数据进行传输，这时计数器CNT开始计数，当计数器为24=16+8 时，采样的值为第0位数据；当计数器的值为40时，采样的值为第1位数据，依此类推，进行后面6个数据的采样。如果需要进行奇偶校验，则当计数器的值为152时，采样的值即为奇偶位；当计数器的值为 168 时，采样的值为”1”表示停止位，一帧数据接收完成。一个标准的10位异步串行通信协议(包含1个起始位、1个停止位和8个数据位)收发时序，如下：

SPI

接口

SPI通信以主从方式工作，需要至少3根线，存在多个从设备时，则需要第4根线CS来选择从设备。

SDO 主设备数据输出，从设备数据输入
SDI 主设备数据输入，从设备数据输出
SCLK 时钟信号，由主设备产生
CS 从设备使能信号，由主设备控制

工作原理

SPI是串行同步通讯协议，数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，SCLK提供同步的时钟脉冲，SDI，SDO则基于同步时钟完成数据传输。数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取，完成一位数据传输。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上升沿和下降沿为一次），才能完成8位数据的传输。

特点

SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线，在基于SPI的通信中，至少有一个主控设备。这样的传输方式有一个优点，SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。另外，SPI是全双工同步数据传输，数据传输速率很高，可达到50MHz。

但是，SPI接口有一个缺点，其没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

IIC

IIC 接口的协议里面包括设备地址信息，IIC总线是一个真正的多主机总线，可以同一总线上连接多个从设备，通过应答来互通数据及命令。

数据协议

假设A给B发数据，A->SCL接B->SCL, A->SDA接B->SDA。起初SDA和SCL上的电平都为高电平，接着A先把SDA拉低，等SDA变为低电平后再把SCL拉低，以上两个动作构成了IIC协议的起始位，此时SDA就可以发送数据了。与此同时，SCL发送一定周期的脉冲（周期和PCLK有关，一般会在IIC的控制寄存器中设置）。SDA发送数据和SCL发送脉冲要符合的关系是：SDA必须在SCL是高电平时保持有效，在SCL是低电平时发送下一位，而SCL会在上升沿对SDA进行采样。规定一次必须传8位数据，8位数据传输结束后A释放SDA，但SCL会再发一个脉冲，这会触发B通过将SDA置为低电平表示确认。最后SCL先变为高电平，SDA再变为高电平，这就构成了是IIC协议的结束标志。如果B没有将SDA置为低电平，则A停止发送下一帧数据。

IIC总线上的每个设备都有唯一地址，数据包传输时先发送地址位，接着才发送数据。一个地址字节由7个地址位和1个指示位组成，总共可以挂载128个设备。指示位是0表示写操作，1表示读操作。还有10位寻址模式，使用两个字节来保存地址，第一个字节的最低两位和第二个字节的8位合起来构成10位地址。

完整数据传输

特点

  1. 需严格按照时序图的要求进行操作；
  2. 若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻；
  3. 程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时；
  4. 为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断EEPROM是否被意外改写。
  5. 对IIC总线的一次操作完之后，需要等待一段时间才能进行第二次操作，否则是启动不了总线的；
  6. 在时钟线（SCL）为高电平的时候，一定不能动数据线（SDA）状态，除非是启动或者结束总线；
  7. IIC传输速率有限，标准模式下可达到100Kbps，快速模式下可达到400Kbps，高速模式下达到4Mbps，不能实现全双工，不适合传输大量数据。

区别和联系

总结

  1. SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现多个SPI设备互相连接。提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线（片选）。

    如果用通用IO口模拟SPI总线，必须要有一个输出口(SDO)，一个输入口(SDI)，另一个口则视实现的设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出口，若只实现主设备，则需输出口即可，若只实现从设备，则只需输入口即可。

  2. IIC总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）的接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。

    如果用通用IO口模拟IIC总线，并实现双向传输，则需一个输入输出口(SDA)，另外还需一个输出口(SCL)。

  3. UART总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。

    显然，如果用通用IO口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。

比较

  1. SPI和UART可以实现全双工，但IIC不行；

  2. IIC线更少，我觉得比UART、SPI更为强大，但是技术上也更加麻烦些，因为IIC需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻，但是抗干扰能力较弱，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信。SPI实现则要简单一些，UART需要固定的波特率，就是说两位数据的间隔要相等，而SPI则无所谓，因为它是有时钟的协议；

  3. IIC的速度比SPI慢一点，协议比SPI复杂一点，但是连线也比标准的SPI要少；

  4. UART一帧可以传5/6/7/8位，IIC必须是8位；

  5. SPI用片选信号选择从机，IIC用地址选择从机。

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