UART、RS232、RS485、IIC、SPI5大常用協 議原理、應用場景及異同對比
時間：2023-09-11 來源：華清遠見
一、UART總線通信協議
1.1 原理
串口通訊的數據包由發送設備通過自身的TXD接口傳輸到接收設備的RXD接口。 在串口通訊的協議層中，規定了數據包的內容，它由啟始位、主體數據、校驗位以及停止位組成， 通訊雙方的數據包格式要約定一致才能正常收發數據
1.2 波特率
本章中主要講解的是串口異步通訊，異步通訊中由于沒有時鐘信號，所以兩個通訊設備之間需要約定好波特率， 即每個碼元的長度，以便對信號進行解碼，上圖中用虛線分開的每一格就是代表一個碼元。常見的波特率為4800、9600、115200等。
1.3 通訊的起始和停止信號
串口通訊的一個數據包從起始信號開始，直到停止信號結束。 數據包的起始信號由一個邏輯0的數據位表示，而數據包的停止信號可由0.5、1、1.5或2個邏輯1的數據位表示，只要雙方約定一致即可。
1.4 有效數據
在數據包的起始位之后緊接著的就是要傳輸的主體數據內容，也稱為有效數據 有效數據的長度常被約定為5、6、7或8位長。
1.5 數據校驗
在有效數據之后，有一個可選的數據校驗位，由于數據通信相對更容易受到外部干擾導致傳輸數據出現偏差 可以在傳輸過程加上校驗位來解決這個問題。校驗方法有奇校驗(odd)、偶校驗(even)、0校驗(space)、1校驗(mark)以及無校驗(noparity)，它們介紹如下： 奇校驗要求有效數據和校驗位中"1"的個數為奇數，比如一個8位長的有效數據為：01101001，此時總共有4個"1"，為達到奇校驗效果，校驗位為"1"， 最后傳輸的數據將是8位的有效數據加上1位的校驗位總共9位。 偶校驗與奇校驗要求剛好相反，要求幀數據和校驗位中"1"的個數為偶數，比如數據幀：11001010，此時數據幀"1"的個數為4個，所以偶校驗位為"0"。 0校驗是不管有效數據中的內容是什么，校驗位總為"0"，1校驗是校驗位總為"1"。 在無校驗的情況下，數據包中不包含校驗位。
二、IIC總線通信協議
2.1 IIC總線簡介
I2C是Inter-Integrated Circuit的簡稱，讀作：I-squared-C。 由飛利浦公司于1980年代提出，為了讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊外部設備而發展。 主要用途：SOC和周邊外設間的通信（如：EEPROM，電容觸摸芯片，各種Sensor等）。
2.2 物理接口
I2C總線只使用兩條雙向漏極開路的信號線（串行數據線：SDA，及串行時鐘線：SCL），并利用電阻上拉。
I2C總線僅僅使用SCL、SDA兩根信號線，就實現了設備間的數據交互，極大地簡化了對硬件資源和PCB板布線空間的占用。
I2C總線廣泛應用在EEPROM、實時時鐘、LCD、及其他芯片的接口。
I2C允許相當大的工作電壓范圍，典型的電壓基準為：+3.3V或+5V。
SCL（Serial Clock）：串行時鐘線，傳輸CLK信號，一般是主設備向從設備提供
SDA（Serial Data）：串行數據線，傳輸通信數據 I2C使用一個7bit的設備地址，一組總線最多和112個節點通信。最大通信數量受限于地址空間及400pF的總線電容。
常見的I2C總線以傳輸速率的不同分為不同的模式：標準模式（100Kbit/s）、低速模式（10Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）、高速模式（3.4Mbit/s）， 時鐘頻率可以被下降到零，即暫停通信。 該總線是一種多主控總線，即可以在總線上放置多個主設備節點，在停止位（P）發出后，即通訊結束后，主設備節點可以成為從設備節點。 主設備節點：產生時鐘并發起通信的設備節點 從設備節點：接收時鐘并響應主設備節點尋址的設備節點
1)I2C通信雙方地位不對等，通信由主設備發起，并主導傳輸過程，從設備按I2C協議接收主設備發送的數據，并及時給出響應。
2）主設備、從設備由通信雙方決定（I2C協議本身無規定），既能當主設備，也能當從設備（需要軟件進行配置）。
3）主設備負責調度總線，決定某一時刻和哪個從設備通信。同一時刻，I2C總線上只能有一對主設備、從設備通信。
4）每個I2C從設備在I2C總線通訊中有一個I2C從設備地址，該地址唯一，是從設備的固有屬性，通信中主設備通過從設備地址來找到從設備。
2.3 總線狀態
空閑態：沒有設備發生通信 忙態：其中一個從設備和主設備通信，I2C總線被占用，其他從設備處于等待狀態
2.4 通信協議
時序：在通信中時序是通信線上按時間順序發生的電平變化，及這些電平變化對通信的意義。 每個通信周期都由一個起始位開始通信，由一個結束位結束通信，中間部分是傳遞的數據。 每個通信周期，主設備會先發8位的從設備地址（從設備地址由高7位的實際從設備地址和低1位的讀/寫標志位組成），主設備以廣播的形式發送從設備地址，I2C總線上的所有從設備收到地址后，判斷從設備地址是否匹配，不匹配的從設備繼續等待，匹配的設備發出一個應答信號。 同一時刻，主設備、從設備只能有一個設備發送數據。
2.4.1 起始位和停止位
I2C總線通訊由起始位開始通訊，由結束位停止通訊，并釋放I2C總線。起始位和結束位都由主設備發出。 起始位（S）：在SCL為高電平時，SDA由高電平變為低電平 結束位（P）：在SCL為高電平時，SDA由低電平變為高電平
2.4.2 數據格式與應答
I2C數據以字節（即8bits）為單位傳輸，每個字節傳輸完后都會有一個ACK應答信號。應答信號的時鐘是由主設備產生的。 應答（ACK）：拉低SDA線，并在SCL為高電平期間保持SDA線為低電平 非應答（NOACK）：不要拉低SDA線（此時SDA線為高電平），并在SCL為高電平期間保持SDA線為高電平 在傳輸期間，如果從設備來不及處理主設備發送的數據，從設備會保持SCL線為低電平，強迫主設備等待從設備釋放SCL線，直到從設備處理完后，釋放SCL線，接著進行數據傳輸。
2.5 數據傳輸通訊
2.5.1 寫數據
開始數據傳輸后，先發送一個起始位（S），主設備發送一個地址數據（由7bit的從設備地址， 和最低位的寫標志位組成的8bit字節數據，該讀寫標志位決定數據的傳輸方向）， 然后，主設備釋放SDA線，并等待從設備的應答信號（ACK）。每一個字節數據的傳輸都要跟一個應答信號位。數據傳輸以停止位（P）結束，并且釋放I2C總線。
2.5.2 讀數據
開始通訊時，主設備先發送一個起始信號（S），主設備發送一個地址數據（由7bit的從設備地址，和最低位的寫標志位組成的8bit字節數據）， 然后，主設備釋放SDA線，并等待從設備的應答信號（ACK），從設備應答主設備后，主設備再發送要讀取的寄存器地址，從設備應答主設備（ACK）， 主設備再次發送起始信號（Sr），主設備發送設備地址（包含讀標志），從設備應答主設備，并將該寄存器的值發送給主設備；
三、SPI總線通訊協議
3.1 什么是SPI
SPI接口是Motorola首先提出的全雙工同步串行總線 采用主從模式（Master Slave）架構；支持多slave模式應用 在實際開發過程中，大多數采用單Master，多SLAVE模式 時鐘由Master控制，在時鐘移位脈 沖下，數據按位傳輸，高位在前，低位在后，也可以低位在前，高位在后 SPI接口有2根單向數據線，為全雙工通信，目前應用中的數據速率可達幾Mbps的水平。
3.2 SPI總線硬件連接
SPI四根信號線
設備選擇線：NSS
時鐘線：SCL
串行輸出數據線：MOSI
串行輸入數據線：MISO
M:master O:output S:slave I:input
（1）MOSI：主器件數據輸出(寫)，從器件數據輸入(讀) •
（2）MISO：主器件數據輸入，從器件數據輸出
（3）SCLK ：時鐘信號，由主器件產生
（4）/SS：從器件使能信號，由主器件控制（片選線）
3.3 SPI優點
支持全雙工通信 通信簡單 數據傳輸速率快
3.4 缺點
沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數據，所以跟IIC總線協議比較在數據，可靠性上有一定的缺陷。
3.5 協議通信時序詳解
起始信號: NSS信號線由高變低，是SPI通訊的起始信號
結束信號：NSS信號由低變高，是SPI通訊的停止信號
數據傳輸：SPI使用MOSI及MISO信號線來傳輸數據，使用SCK信號線進行數據同步。 MOSI及MISO數據線在SCK的每個時鐘周期傳輸一位數據，且數據輸入輸出是同時進行 的。SPI每次數據傳輸可以 8 位或 16 位為單位，每次傳輸的單位數不受限制
3.6 SPI總線通信模式
四、RS232總線描述
4.1 概述
RS-232接口符合電子工業聯盟（EIA）建立的串行數據通信接口標準。 原始編號是EIA-RS-232（簡稱232，RS232），它廣泛用于計算機串行接口外設連接。連接電纜以及機械、電氣、信號和傳輸過程。 RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
4.2 特性
RS-232是現在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口標準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點： （1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片。RS232接口任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即：邏輯“1”為-3—-15V；邏輯“0”：+3—+15V，噪聲容限為2V。即要求接收器能識別高于+3V的信號作為邏輯“0”，低于-3V的信號作為邏輯“1”，TTL電平為5V為邏輯正，0為邏輯負。與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。 （2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，比特率為20Kbps；因此在51CPLD開發板中，綜合程序波特率只能采用19200，也是這個原因。 （3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 （4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在15米左右。
五、RS485概述
5.1 場景
在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線，RS-485采用平衡發送和差分接收 因此具有抑制共模干擾的能力，加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制
5.2 RS485特點
RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。針對RS-232-C的不足，新標準RS-485具有以下特點：
（1）RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差+2V~+6V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差-6V~-2V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不容易損壞接口電路芯片，且該電平與TTL電平兼容，刻方便與TTL電路連接。
（2）數據最高傳輸速率為：10Mbps （
3）RS-485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強，即抗噪聲性能好。
（4）RS-485接口的最大傳輸距離標準值4000英尺，實際上可達3000米。 （5）RS-232-C接口在總線上只允許連接一個收發器，即單站能力；而RS-485接口在總線上只允許連接多達128個收發器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立設備網絡。
五、IIC總線和SPI總線對比
5.1 相同點
1.均采用串行同步總線
2.都采用TTL電平
3.主從模式架構
5.2 不同點
1.IIC總線為半雙工通信，因為IIC總線只有一根SDA數據線
2.SPI總線為全雙工通信，因為SPI總線有兩個單向的數據線(MOSI和MISO) 3.IIC總線有應答信號，SPI總線沒有應答信號
4.IIC總線通過尋址進行選擇和哪一個從機進行通信
5.SPI總線通過片選線選擇和哪一個從機進行通信，片選線向從機發送使能信號
6.比如說有10個從機設備，需要10根片選線，比較浪費硬件引腳資源
7.IIC總線通過高低電平的變化進行數據傳輸 8.SPI總線邊沿觸發，邊沿采樣
六、RS232和RS484總線對比
工作模式：RS232 為全雙工，RS485 為半雙工。
傳輸方式：RS485和RS232只是物理協議的通信（即接口標準），RS485是差分傳輸方式，RS232是單端傳輸方式，但通信程序沒有太大區別
信號線：RS485接口組成的半雙工網絡，一般只需二根信號線。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三條線
抗干擾性：RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好。RS232接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾
傳輸距離：RS485接口的最大傳輸距離標準值為1200米(9600bps時)，實際上可達3000米，RS232傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50米，實際上也只能用在15米左右 通信能力：RS485 接口在總線上是允許連接多達128個收發器，用戶可以利用單一的 RS485 接口方便地建立起設備網絡，RS232只允許一對一通信
傳輸速率：RS232傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps，RS485的數據最高傳輸速率為10Mbps 電氣電平值：RS485的邏輯"1"以兩線間的電壓差為+(2-6)V 表示;邏輯"0"以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示，在 RS-232中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系，即：邏輯"1"，-(5-15)V；邏輯"0 " +(5- 15)V 。
