SPI、I2C、UART（即串口）三种串行总线详解

参考博客

https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/80342459

https://blog.csdn.net/weiqifa0/article/details/8845281

https://www.zhihu.com/question/22632011

https://blog.csdn.net/zhuyongxin_6688/article/details/78001767（有图，件）

https://blog.csdn.net/Setul/article/details/78968242

目录

一、名字

二、UART、SPI、I2C对比

三、串行外设接口：SPI

1、速览点

2、数据传输

3、spi读写

四、IC之间总线：I2C

1、速览点

2、详细介绍

3、时序

4、代码

五、通用异步收发器：UART

1、速览点

2、通信协议

3、详细介绍

4、代码学习

六、心得体会

1、通信接口分为物理层（硬件）和协议层

2、关于总线的选择问题

七、UART和RS232的联系和区别

1、RS232

2、UART

3、TTL和RS232

4、嵌入式常用串口实物图

一、名字

SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口)，是Motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准。I2C(INTER IC BUS：IC之间总线)，是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)，是电脑硬件的一部分，它把将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，UART通常被集成于其他通讯接口的连接上。UART即我们通常说的“串口”。

二、UART、SPI、I2C对比

UART、SPI、I2C对比表格 对比项 UART SPI I2C 信号线数目 3根，RX、TX、GND 4根，SDO、SDI、SCLK、SS 2根，SDA、SCLK 设备从属关系 —— 存在主从设备。SPI用片选信号选择从机 存在主从设备。IIC用地址选择从机。 通信方式 全双工通信 全双工通信 半双工通信 通信速率 速度慢 比I2C总线要快，速度可达到几Mbps I2C的速度比SPI慢 应用领域

1、UART常用于控制计算机与串行设备的芯片

2、就是我们经常所说的串口，基本都用于调试。

主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间 I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信 ，它可以替代标准的并行总线，连接各种集成电路和功能模块。 传输距离 I2C需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻，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 通信特征 异步，一帧可以传5/6/7/8位 同步，SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停。从最高位开始传。 同步，电平信号，一次连续8bit。从最高位开始传 协议复杂度 结构比较复杂 SPI实现要比UART简单，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。 协议比SPI复杂，但是连线比标准的SPI要少 对比

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信,显得简单高效。

在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

三、串行外设接口：SPI

1、速览点

（1）四条信号线：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)、片选线（SS）。（所谓的进出，是针对信号进出主机而言）

（2）SPI总线可以实现多SPI设备互相连接。提供时钟的SPI设备为主设备(Master)，其他设备为从设备(Slave)。SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。

（3）在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机。主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。

（4）主从设备间可以实现全双工通信，收发独立，操作简单，数据传输速率较高，但需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线），而且只支持单个主机，没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

（5）数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变（即发送），在紧接着的下沿或上沿被读取，从而完成一位数据传输。数据输入也使用同样原理。因此，8位数据的传输，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次）。

（6）普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK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SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

（7）SPI接口在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前（先传？），低位在后，为全双工通信。

2、数据传输

（1）SPI在数据传输的时候，需要确定两件事情：

其一，数据是在时钟的上升沿采集还是下降沿采集；其二，时钟的初始(空闲)状态是为高电平还是低电平。对比：I2C空闲状态时，时钟线（不是数据线？）为高电平，数据采集时，时钟线也为高电平，但SPI给出了更自由的方式。

（2）两个概念

CPOL：时钟极性，表示SPI在空闲时，时钟信号是高电平还是低电平。

CPHA：时钟相位，表示SPI设备是在在时钟的上升沿采集还是下降沿采集。

则SPI数据传输就有四种可能---按照标准的说法，SPI数据传输就有四种模式。

（3）四种模式

模式 CPOL CPHA 0 0 0 1 0 1 2 1 0 3 1 1

模式0（杠cs表示片选信号）

模式1

模式2

模式3

3、spi读写

（1）SPI在硬件设计上采用的双数据线制，根据设计，在SPI通信过程中，主从设备之间会形成一个数据环形链路——即主设备向从设备写一次数据，从设备就会回一次数据(至于从设备回复的数据是否有效，则另当别论——如果有效，主设备就把它读入，否则丢弃）

（2）例子：假设上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

假设主机8位寄存器装的是待发送的数据10101010

那么第一个上升沿时，数据将会是SDO=1，寄存器=0101010x

下降沿到来的时候，SDI上的电平将存到主机的寄存器中的最低位（最右边），SDO上的电平将存到从机的寄存器的最低位（最右边），则此时主机寄存器=0101010SDI（SDI表示1bit），从机寄存器=1010101SDO。

这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次，这样就完成里一个spi时序。

假定主机和从机初始化就绪，并且主机的sbuff=0xaa=0b1010 1010，从机的sbuff=0x55=0b0101 0101

下面将分步对SPI的8个时钟周期的数据情况演示一遍

（1）上表示上升沿、下表示下降沿，SDI、SDO相对于主机而言的。

（2）ss引脚作为主机时，从机可以把它拉低，被动选为从机；作为从机时，可以作为片选脚用。

（3）根据以上分析，一个完整的传送周期是16位。因为主机首先要发送命令过去，然后从机准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

四、IC之间总线：I2C

1、速览点

（1）由图可知

由两条信号线组成：串行数据线(SDA)、串行时钟线(SCL)。由1，2箭头指示可知，I2C器件内部采用开漏的方法，总线被上拉。那么总线状态只能被下拉为0（当MOS管输入0的时候）。只要有一方下拉了总线，总线状态必定为0。

（2）任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线，但同一时刻只能有一个主控设备。

（3）总线上的每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备的能力，作为发射器或接收器工作。

（4）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。

（5）连接到相同总线的IC 数量只受到总线的最大电容限制。

（6）SDA传输数据是大端传输（高位先传，低位后传？），是以字节为单位的。

2、详细介绍

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/72356722

3、时序

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/72356722

https://blog.csdn.net/Mr_Lyoko/article/details/79598106

4、代码

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/72358553

五、通用异步收发器：UART

1、速览点

（1）UART由波特率产生器、UART接收器、UART发送器组成。

（2）由三条信号线组成：RX、TX、GND

（3）UART包括RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。它们的主要区别在于其各自的电平范围不相同。 嵌入式设备中常常使用到的是TTL、TTL转RS232的这种方式。

2、通信协议

（1）起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。

（2）数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。

（3）奇偶校验位：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)，以此来校验资料传送的正确性。

（4）停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

（5）空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

（6）波特率：数据传输的速率。有以下几个档位：300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、57600、115200。在数据传输和接收双方，需要预先统一波特率，以便正确的传输数据。

3、详细介绍

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71597893

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71597575

https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/80342459

4、代码学习

https://blog.csdn.net/oqqHuTu12345678/article/details/71601785

六、心得体会

1、通信接口分为物理层和协议层

（1）物理层（硬件）：如UART，PC和单片机通信，PC机的串口是232电平而单片机的串口是TTL电平，两个设备之间通信如果电平不一致就相当于语言不通，造成逻辑混乱。因此一般的单片机系统板上都会有一个串口模块电路（串口控制器）用来进行电平转换，将PC机的232电平转化成单片机能识别的232电平，常用芯片如PL2303、CH340。

（2）协议层：就相当于规定了一个标准或规则，比如SPI协议中，主机向从机发出一个数据，从机接收到后会发出应答信号，这就是协议规定的内容，不需要人为干预。当然有的单片机没有这些协议的控制器（硬件），如51单片机和24c02通信，需要模拟IIC协议，用软件来实现硬件的功能，这就增加了软件的复杂度。

2、总线的选择

（1）SPI总线有4根线，分别是SCK，SDO，SDI，SS，可以挂多个从设备，但是在挂多个从设备时，主设备端还需要做一个n选一的译码器，用于选择将要访问的从设备，因此，主设备上的管脚需求比较多。SPI总线在只有一个从设备时，只要用到SCK，SDO，SDI这三根线，此时选择SPI比I2C总线占优。

（2）I2C总线只有两根线，SCL，SDA.，也可以挂多个从设备，对从设备的选择直接依靠协议完成，无需增加物理连线。一般情况下，当一块电路板上有多个从设备时，往往选用I2C而非SPI，因为SPI增加了额外额硬件开销以及电路板走线。

（3）I2C和SPI总线一般是读取一些PROM等从设备用。 而串行通信接口SCI（UART?），主要应用在两个智能设备之间的互相通讯。有别于SPI和I2C总线的主从模式，SCI可以是主-主模式。

-----另一种说法

（1）总线拓扑结构/信号路由/硬件资源耗费

IIC 只需两根信号线，而标准SPI至少四根信号，如果有多个从设备，信号需要更多。一些SPI变种虽然只使用三根线——SCLK, SS和双向的MISO/MOSI，但SS线还是要和从设备一对一根。另外，如果SPI要实现多主设备结构，总线系统需额外的逻辑和线路。用IIC 构建系统总线唯一的问题是有限的7位地址空间，但这个问题新标准已经解决——使用10位地址。从第一点上看，IIC是明显的大赢家。

（2）数据吞吐/传输速度

如果应用中必须使用高速数据传输，那么SPI是必然的选择。因为SPI是全双工，IIC 的不是。SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps。IIC 最高的速度也就快速+模式（1 Mbps）和高速模式（3.4 Mbps），后面的模式还需要额外的I/O缓冲区，还并不是总是容易实现的。

（3）优雅性

IIC 常被称更优雅于SPI。公正的说，我们更倾向于认为两者同等优雅和健壮。IIC的优雅在于它的特色——用很轻盈的架构实现了多主设备仲裁和设备路由。但是对使用的工程师来讲，理解总线结构更费劲，而且总线的性能不高。SPI的优点在于它的结构相当的直观简单，容易实现，并且有很好扩展性。SPI的简单性不足称其优雅，因为要用SPI搭建一个有用的通信平台，还需要在SPI之上构建特定的通信协议软件。也就是说要想获得SPI特有而IIC没有的特性——高速性能，工程师们需要付出更多的劳动。另外，这种自定的工作是完全自由的，这也说明为什么SPI没有官方标准。IIC和SPI都对低速设备通信提供了很好的支持，不过，SPI适合数据流应用，而IIC更适合“字节设备”的多主设备应用。

（4）小结

在数字通信协议簇中，IIC和SPI常称为“小”协议，相对Ethernet, USB, SATA, PCI-Express等传输速度达数百上千兆字节每秒的总线。但是，我们不能忘记的是各种总线的用途是什么。“大”协议是用于系统外的整个系统之间通信的，“小”协议是用于系统内各芯片间的通信，没有迹象表明“大”协议有必要取代“小”协议。IIC和SPI的存在和流行体现了“够用就好”的哲学。

七、UART和RS232的联系和区别

1、RS232

RS232是早期的一种串行通信标准，它描述了使用RS-232标准进行通信时的电平要求（定义多少电平表示数据0和1）、接线要求、线材要求，其实更多的是电平标准。

2、UART

UART是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），既然是“器”，显然，它就是个设备而已，要完成一个特定功能的硬件。它最基本的功能是串并数据转换。

另外UART还要控制数据的格式（波特率、起始位、数据位、校验位、停止位等内容），这表示它也是异步串行通信的一种方式，它本身不是协议，但具有协议的特征，然而比RS232协议更具一般性。

因此可以说，UART同时具有硬件和协议的范畴。

3、TTL和RS232

在嵌入式MCU中的UART使用TTL电平，而在PC中的UART使用的则是RS232电平。所以UART并没有规范该使用什么电平，取决于你使用什么通信标准。即UART可以使用RS232规定的电平来通信，也可以用其他协议规定的电平来工作。

P.s：RS232与常见的TTL电平不同，RS232采用的是负逻辑，因此一般会使用MAX-232双向转化芯片。

TTL标准：低电平为0，高电平为1（+5V电平，3.3V以上即可）

RS-232标准：正电平为0，负电平为1（±15V电平）

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4、注意RS232不是接口标准，DB9、DB25才叫接口标准，现在RS232用的多的都是DB9。

5、接设备的时候，一般只接GND RX TX。不会接Vcc或者+3.3v的电源线，避免与目标设备上的供电冲突。

6、PL2303、CP2102芯片是USB转TTL串口的芯片，用USB来扩展串口(TTL电平)。

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4、嵌入式常用串口实物图

（1）串口（嵌入式中指的是UART）、COM口

（两者同概念？COM口有两种物理标准：D型9针插头和 4针杜邦头。左图是UART，中间是4针杜邦头COM口，右图是D型9针插头。由此可知，4针杜邦头和UART是一样的？另外D型9针插头我们一般只接GND、RXD、TXD，因此其实和UART是一样的）

（2）下图是用PL2303芯片的USB转TTL串口

下图是用CP2102芯片的USB转TTL串口

下图是USB转RS-232串口