SPI、UART、IIC總線之間有什么區(qū)別與聯(lián)系

SPI 總線

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）是一種高速、全雙工、同步、串行通信總線，3~4線接口，以主從模式工作，收發(fā)獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)SPI設(shè)備互相連接。

提供SPI串行時(shí)鐘的SPI設(shè)備為SPI主機(jī)或主設(shè)備（Master），其他設(shè)備為SPI從機(jī)或從設(shè)備（Slave）。

SPI總線由三條信號(hào)線組成，分別是SCLK（串行時(shí)鐘）、SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）。當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，還可以增加一條從設(shè)備選擇線，CS是控制芯片是否被選中的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在同一總線上多個(gè)SPI設(shè)備互相連接。

如果用GPIO口模擬SPI總線，必須要有一個(gè)輸出口（SDO），一個(gè)輸入口（SDI），另一個(gè)口則視實(shí)現(xiàn)的設(shè)備類型而定，如果要實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備，則需輸入輸出口，若只實(shí)現(xiàn)主設(shè)備，則需輸出口即可，若只實(shí)現(xiàn)從設(shè)備，則只需輸入口即可。

SDI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；

SDO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；

SCLK – 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生；

CS – 從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制。

SPI 是一種允許一個(gè)主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)與從設(shè)備同步通訊的協(xié)議，從而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI是串行協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)?，這就是SCLK時(shí)鐘線存在的原因，由SCLK提供時(shí)鐘脈沖，SDI、SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。

這樣，在至少8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CLK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備通過對(duì)SCLK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。

SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義，具體請(qǐng)參考相關(guān)器件的文檔。

最后，SPI接口的一個(gè)缺點(diǎn)：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡(jiǎn)單高效。在多個(gè)從設(shè)備的系統(tǒng)中，每個(gè)從設(shè)備需要獨(dú)立的使能信號(hào)，硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。

UART 總線

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發(fā)器）總線是兩線、全雙工、異步串口，速度慢。比SPI、I2C這兩種同步串口的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多，一般由波特率產(chǎn)生器（產(chǎn)生的波特率等于傳輸波特率的16倍）、UART接收器、UART發(fā)送器組成，硬件上有兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收。

數(shù)據(jù)是異步傳輸?shù)?，?duì)雙方的時(shí)序要求比較嚴(yán)格，通信速度也不是很快，在多機(jī)通信上面用的最多。如果用GPIO口模擬UART總線，則需一個(gè)輸入口，一個(gè)輸出口。

UART是用于控制計(jì)算機(jī)與串行設(shè)備的芯片，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計(jì)算機(jī)就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。

大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS232的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多GPIB兼容的設(shè)備也帶有RS-232口。同時(shí)，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。

串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

作為接口的一部分，UART還提供以下功能：

將由計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流；

將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用；

在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位，并對(duì)從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)；

在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標(biāo)記；

處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號(hào)；

可以處理計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備的同步管理問題；

有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，現(xiàn)在比較新的UART是16550，它可以在計(jì)算機(jī)需要處理數(shù)據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)16字節(jié)數(shù)據(jù)。

IIC 總線

IIC（Inter－Integrated Circuit）總線是雙向、兩線（SCL、SDA）、同步、串行、多主控（multi-master）接口標(biāo)準(zhǔn)，具有競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)和總線仲裁機(jī)制，非常適合在器件之間進(jìn)行近距離、非經(jīng)常性的數(shù)據(jù)通信。

在IIC的協(xié)議體系中，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)帶上目的設(shè)備的設(shè)備地址，因此可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)。

如果用GPIO口模擬IIC總線，并實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，則需一個(gè)輸入輸出口（SDA），另外還需一個(gè)輸出口（SCL）。

IIC總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。I2C能用于替代標(biāo)準(zhǔn)的并行總線，能連接各種集成電路和功能模塊。只要求兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線SDA 一條串行時(shí)鐘線SCL。

IIC是多主控總線，總線上每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)一無二的地址，根據(jù)設(shè)備自己的能力，任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都能像主控器一樣工作，并控制總線。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控，如果兩個(gè)或更多主機(jī)同時(shí)初始化數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測(cè)和仲裁，防止數(shù)據(jù)被破壞。

一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。同步時(shí)鐘允許器件通過總線以不同的波特率進(jìn)行通信。同步時(shí)鐘可以作為停止和重新啟動(dòng)串行口發(fā)送的握手方式。

由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。總線的長(zhǎng)度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。

串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s 快速模式下可達(dá)400kbit/s 高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s

片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)線上的毛刺波保證數(shù)據(jù)完整。IIC使用上拉電阻，抗干擾能力較弱，一般用于同一板卡上芯片之間的通信，較少用于遠(yuǎn)距離通信。連接到相同總線的IC 數(shù)量只受到總線的最大電容400pF 限制。

編輯：jq