SPI、UART、I2C通信的對比分析

電子設(shè)備之間的通信就像人類之間的交流，雙方都需要說相同的語言。在電子產(chǎn)品中，這些語言稱為通信協(xié)議。

之前有單獨(dú)地分享了SPI、UART、I2C通信的文章，這篇對它們做一些對比。

串行 VS 并行

電子設(shè)備通過發(fā)送數(shù)據(jù)位從而實(shí)現(xiàn)相互交談。位是二進(jìn)制的，只能是1或0。通過電壓的快速變化，位從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備。在以5V工作的系統(tǒng)中，“0”通過0V的短脈沖進(jìn)行通信，而“1”通過5V的短脈沖進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)位可以通過并行或串行的形式進(jìn)行傳輸。在并行通信中，數(shù)據(jù)位在導(dǎo)線上同時(shí)傳輸。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的并行傳輸：

在串行通信中，位通過單根線一一發(fā)送。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的串行傳輸：

SPI通信

SPI是一種常見的設(shè)備通用通信協(xié)議。它有一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢就是可以無中斷傳輸數(shù)據(jù)，可以連續(xù)地發(fā)送或接收任意數(shù)量的位。而在I2C和UART中，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，有著限定位數(shù)。

在SPI設(shè)備中，設(shè)備分為主機(jī)與從機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)是控制設(shè)備（通常是微控制器），而從機(jī)（通常是傳感器，顯示器或存儲(chǔ)芯片）從主機(jī)那獲取指令。

一套SPI通訊共包含四種信號(hào)線：MOSI (Master Output/Slave Input) – 信號(hào)線，主機(jī)輸出，從機(jī)輸入。MISO (Master Input/Slave Output) – 信號(hào)線，主機(jī)輸入，從機(jī)輸出。SCLK (Clock) – 時(shí)鐘信號(hào)。SS/CS (Slave Select/Chip Select) – 片選信號(hào)。

SPI協(xié)議特點(diǎn)

實(shí)際上，從機(jī)的數(shù)量受系統(tǒng)負(fù)載電容的限制，它會(huì)降低主機(jī)在電壓電平之間準(zhǔn)確切換的能力。

工作原理

時(shí)鐘信號(hào)

每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热Q于時(shí)鐘信號(hào)的頻率。時(shí)鐘信號(hào)由于是主機(jī)配置生成的，因此SPI通信始終由主機(jī)啟動(dòng)。

設(shè)備共享時(shí)鐘信號(hào)的任何通信協(xié)議都稱為同步。SPI是一種同步通信協(xié)議，還有一些異步通信不使用時(shí)鐘信號(hào)。例如在UART通信中，雙方都設(shè)置為預(yù)先配置的波特率，該波特率決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜁r(shí)序。

片選信號(hào)

主機(jī)通過拉低從機(jī)的CS/SS來使能通信。在空閑/非傳輸狀態(tài)下，片選線保持高電平。在主機(jī)上可以存在多個(gè)CS/SS引腳，允許主機(jī)與多個(gè)不同的從機(jī)進(jìn)行通訊。

如果主機(jī)只有一個(gè)片選引腳可用，則可以通過以下方式連接這些從器件：

MOSI和MISO

主機(jī)通過MOSI以串行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)也可以通過MISO將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，兩者可以同時(shí)進(jìn)行。所以理論上，SPI是一種全雙工的通訊協(xié)議。

傳輸步驟

主機(jī)輸出時(shí)鐘信號(hào)

主機(jī)拉低SS / CS引腳，激活從機(jī)

主機(jī)通過MOSI將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)

如果需要響應(yīng)，則從機(jī)通過MISO將數(shù)據(jù)返回給主機(jī)

使用SPI有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如果在不同的通信協(xié)議之間進(jìn)行選擇，則應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行充分考量。

優(yōu)劣

優(yōu)點(diǎn)

SPI通訊無起始位和停止位，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)流傳輸而不會(huì)中斷；沒有像I2C這樣的復(fù)雜的從站尋址系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速率比I2C更高（幾乎快兩倍）。獨(dú)立的MISO和MOSI線路，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

缺點(diǎn)

SPI使用四根線（I2C和UART使用兩根線），沒有信號(hào)接收成功的確認(rèn)（I2C擁有此功能），沒有任何形式的錯(cuò)誤檢查（如UART中的奇偶校驗(yàn)位等）。

UART代表通用異步接收器/發(fā)送器也稱為串口通訊，它不像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是微控制器中的物理電路或獨(dú)立的IC。
UART的主要目的是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，其最好的優(yōu)點(diǎn)是它僅使用兩條線在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。UART的原理很容易理解，但是如果您還沒有閱讀SPI 通訊協(xié)議，那可能是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。

UART通信

在UART通信中，兩個(gè)UART直接相互通信。發(fā)送UART將控制設(shè)備（如CPU）的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式，以串行方式將其發(fā)送到接收UART。只需要兩條線即可在兩個(gè)UART之間傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從發(fā)送UART的Tx引腳流到接收UART的Rx引腳：

UART屬于異步通訊，這意味著沒有時(shí)鐘信號(hào)，取而代之的是在數(shù)據(jù)包中添加開始和停止位。這些位定義了數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，因此接收UART知道何時(shí)讀取這些數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收UART檢測到起始位時(shí)，它將以特定波特率的頻率讀取。波特率是數(shù)據(jù)傳輸速度的度量，以每秒比特?cái)?shù)（bps）表示。兩個(gè)UART必須以大約相同的波特率工作，發(fā)送和接收UART之間的波特率只能相差約10％。

工作原理

發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線獲取并行數(shù)據(jù)后，它會(huì)添加一個(gè)起始位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位來組成數(shù)據(jù)包并從Tx引腳上逐位串行輸出，接收UART在其Rx引腳上逐位讀取數(shù)據(jù)包。

UART數(shù)據(jù)包含有1個(gè)起始位，5至9個(gè)數(shù)據(jù)位（取決于UART），一個(gè)可選的奇偶校驗(yàn)位以及1個(gè)或2個(gè)停止位：

起始位：

UART數(shù)據(jù)傳輸線通常在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)保持在高電壓電平。開始傳輸時(shí)發(fā)送UART在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將傳輸線從高電平拉低到低電平，當(dāng)接收UART檢測到高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，它開始以波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

數(shù)據(jù)幀：

數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含正在傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗(yàn)位，則可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校驗(yàn)位，則數(shù)據(jù)幀的長度可以為9位。

校驗(yàn)位：

奇偶校驗(yàn)位是接收UART判斷傳輸期間是否有任何數(shù)據(jù)更改的方式。接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后，它將對值為1的位數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)，是否與數(shù)據(jù)相匹配。

停止位：

為了向數(shù)據(jù)包的結(jié)尾發(fā)出信號(hào)，發(fā)送UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅(qū)動(dòng)到高電壓至少持續(xù)兩位時(shí)間。

傳輸步驟

發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線并行接收數(shù)據(jù)：

2.發(fā)送UART將起始位，奇偶校驗(yàn)位和停止位添加到數(shù)據(jù)幀：

3.整個(gè)數(shù)據(jù)包從發(fā)送UART串行發(fā)送到接收UART。接收UART以預(yù)先配置的波特率對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣：

4.接收UART丟棄數(shù)據(jù)幀中的起始位，奇偶校驗(yàn)位和停止位：

5.接收UART將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線：

優(yōu)劣

沒有任何通信協(xié)議是完美的，但是UART非常擅長于其工作。以下是一些利弊，可幫助您確定它們是否適合您的項(xiàng)目需求：

優(yōu)點(diǎn)

僅使用兩根電線

無需時(shí)鐘信號(hào)

具有奇偶校驗(yàn)位以允許進(jìn)行錯(cuò)誤檢查

只要雙方都設(shè)置好數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)

有據(jù)可查并得到廣泛使用的方法

缺點(diǎn)

數(shù)據(jù)幀的大小最大為9位

不支持多個(gè)從屬系統(tǒng)或多個(gè)主系統(tǒng)

每個(gè)UART的波特率必須在彼此的10％之內(nèi)

I2C通信

I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可傳送信息。它結(jié)合了 SPI 和 UART 的優(yōu)點(diǎn)，您可以將多個(gè)從機(jī)連接到單個(gè)主機(jī)（如SPI那樣），也可以使用多個(gè)主機(jī)控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)。當(dāng)您想讓多個(gè)微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個(gè)存儲(chǔ)卡或?qū)⑽谋撅@示到單個(gè)LCD時(shí)，這將非常有用。

SDA (Serial Data) – 數(shù)據(jù)線。

SCL (Serial Clock) – 時(shí)鐘線。

I2C是串行通信協(xié)議，因此數(shù)據(jù)沿著SDA一點(diǎn)一點(diǎn)地傳輸。與SPI一樣，I2C也需要時(shí)鐘同步信號(hào)且時(shí)鐘始終由主機(jī)控制。

工作原理

I2C的數(shù)據(jù)傳輸是以多個(gè)msg的形式進(jìn)行，每個(gè)msg都包含從機(jī)的二進(jìn)制地址幀，以及一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)幀，還包括開始條件和停止條件，讀/寫位和數(shù)據(jù)幀之間的ACK / NACK位：

啟動(dòng)條件：當(dāng)SCL是高電平時(shí)，SDA從高電平向低電平切換。

停止條件：當(dāng)SCL是高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平切換。

地址幀：每個(gè)從屬設(shè)備唯一的7位或10位序列，用于主從設(shè)備之間的地址識(shí)別。

讀/寫位：一位，如果主機(jī)是向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)則為低電平，請求數(shù)據(jù)則為高電平。

ACK/NACK：消息中的每個(gè)幀后均帶有一個(gè)ACK/NACK位。如果成功接收到地址幀或數(shù)據(jù)幀，接收設(shè)備會(huì)返回一個(gè)ACK位用于表示確認(rèn)。

尋址

由于I2C沒有像SPI那樣的片選線，因此它需要使用另一種方式來確認(rèn)某一個(gè)從設(shè)備，而這個(gè)方式就是 —— 尋址。

主機(jī)將要通信的從機(jī)地址發(fā)送給每個(gè)從機(jī)，然后每個(gè)從機(jī)將其與自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，它將向主機(jī)發(fā)送一個(gè)低電平ACK位。如果不匹配，則不執(zhí)行任何操作，SDA線保持高電平。

讀/寫位

地址幀的末尾包含一個(gè)讀/寫位。如果主機(jī)要向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則為低電平。如果是主機(jī)向從機(jī)請求數(shù)據(jù)，則為高電平。

數(shù)據(jù)幀

當(dāng)主機(jī)檢測到從機(jī)的ACK位后，就可以發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)幀了。數(shù)據(jù)幀始終為8位，每個(gè)數(shù)據(jù)幀后緊跟一個(gè)ACK / NACK位，來驗(yàn)證接收狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀后，主機(jī)可以向從機(jī)發(fā)送停止條件來終止通信。

傳輸步驟

在SCL線為高電平時(shí)，主機(jī)通過將SDA線從高電平切換到低電平來啟動(dòng)總線通信。

主機(jī)向總線發(fā)送要與之通信的從機(jī)的7位或10位地址，以及讀/寫位：

每個(gè)從機(jī)將主機(jī)發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，則從機(jī)通過將SDA線拉低一位返回一個(gè)ACK位。如果主機(jī)的地址與從機(jī)的地址不匹配，則從機(jī)將SDA線拉高。

主機(jī)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀：

傳輸完每個(gè)數(shù)據(jù)幀后，接收設(shè)備將另一個(gè)ACK位返回給發(fā)送方，以確認(rèn)已成功接收到該幀：

隨后主機(jī)將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機(jī)發(fā)送停止條件。

單個(gè)主機(jī)VS多個(gè)從機(jī)

由于I2C使用尋址功能，可以通過一個(gè)主機(jī)控制多個(gè)從機(jī)。使用7位地址時(shí)，最多可以使用128(27)個(gè)唯一地址。使用10位地址并不常見，但可以提供1,024(210)個(gè)唯一地址。如果要將多個(gè)從機(jī)連接到單個(gè)主機(jī)時(shí)，請使用4.7K歐的上拉電阻將它們連接，例如將SDA和SCL線連接到Vcc：

多個(gè)主機(jī)VS多個(gè)從機(jī)

I2C支持多個(gè)主機(jī)同時(shí)與多個(gè)從機(jī)相連，當(dāng)兩個(gè)主機(jī)試圖通過SDA線路同時(shí)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。因此每個(gè)主機(jī)都需要在發(fā)送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平。如果SDA線為低電平，則意味著另一個(gè)主機(jī)正在控制總線。如果SDA線高，則可以安全地發(fā)送數(shù)據(jù)。如果要將多個(gè)主機(jī)連接到多個(gè)從機(jī)，請使用4.7K歐的上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：