UART/I2C/SPI/1-wire四大通信接口

1、 裘千丈輕功水上漂之UART

射雕英雄傳中的裘千丈說，UART就是我的輕功水上漂過河。想從河上過(通信)，提前布暗樁，行走時步伐按樁距固定(波特率提前確定)，步幅太大或太小都會落水。為了不被二弟裘千仞識破，可以安排侍衛(wèi)在對岸監(jiān)視通知，沒風(fēng)險才開始表演(流控)。為了保證踩點準(zhǔn)確，隔一段距離定個特殊標(biāo)記的粗木樁。

UART 通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通信雙方接三根線，RX、TX和GND，TX用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RX用于接受數(shù)據(jù)，雙方收發(fā)交叉對接，支持全雙工方式。

因為沒有時鐘控制，什么時機開始發(fā)數(shù)據(jù)，且保證對方正確接收?

如A發(fā)數(shù)據(jù)到B，平時空閑時A.TX 和 B.RX.保持1，當(dāng)A.TX先發(fā)0作為起始位，告訴B請注意，我要發(fā)數(shù)據(jù)了。然后就開始發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位可配置，通常是5位，6位，7位，8位，一幀數(shù)據(jù)發(fā)完后，A.TX給個高電平告訴B.RX我發(fā)完了一幀。如果開啟校驗位，在發(fā)停止位之前發(fā)送個校驗位，一般都不需要校驗位了，短距離有線傳輸出錯的概率非常小。如果還有數(shù)據(jù)，則重復(fù)前面的操作。

一般軟件配置串口，有波特率，數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位、流控。分別表示傳輸速度，一幀數(shù)據(jù)的長度，以及發(fā)完告知停止，發(fā)完是否校驗，是否進行發(fā)送控制?？雌饋?a target="_blank">參數(shù)很多，針對個人經(jīng)驗，一般都是固定8位數(shù)據(jù)位，1位停止位、無校驗、無流控，只是配置波特率。

UART沒有時鐘控制數(shù)據(jù)捕獲時機，依靠通信前就定義波特率，雙方按定義的頻率讀寫數(shù)據(jù)位，正如裘千丈的水上漂，一旦暗樁安裝固定，就得按固定的步長行走，否則就會出錯落水。

UART在水上漂項目可以，但是傳輸效率有限，一般高到921600，如果再高可能出現(xiàn)誤碼，繼續(xù)加高，就是高空飛行，最后裘千丈就是期望在高空也行走自如，想攀上黃蓉乘坐的大雕逃命，不慎墜落，死于飛行事故。

2、叫你一聲你敢答應(yīng)嗎之I2C

作為太上老君看銀爐的童子，銀角大王最懂I2C，萬千人中我叫你一聲，你答應(yīng)了就倒霉(從機地址正確才能通信)。IIC(Inter Integrated Circuit)兩根線，一條時鐘線SCL和一條數(shù)據(jù)線SDA，所以是半雙工通信，主從模式，支持一對多，一個銀角大王可以對付一群猴子，每個猴子名字不同(從設(shè)備的I2C地址不同)，點名叫到誰，誰就被紫金葫蘆帶走。

假設(shè)主機A給從機B發(fā)數(shù)據(jù)(A.SCL接B.SCL，A.SDA接B.SDA)，根據(jù)應(yīng)用，A可以同時接B,C,D?？臻e時SDA和SCL上的電平都為高電平。

起始和停止起始條件S：當(dāng)SCL高電平時，SDA由高電平向低電平轉(zhuǎn)換;停止條件P：當(dāng)SCL高電平時，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)換。起始和停止條件一般由主機產(chǎn)生，總線在起始條件后處于busy的狀態(tài)，在停止條件的某段時間后，總線才再次處于空閑狀態(tài)。

空閑時SDA和SCL上的電平都為高電平。A先把SDA拉低，等SDA變?yōu)榈碗娖胶笤侔裇CL拉低(以上兩個動作構(gòu)成了I2C的起始位)，此時SDA就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了，與此同時，SCL發(fā)送一定周期的脈沖，SDA發(fā)送數(shù)據(jù)和SCL發(fā)送脈沖的要符合的關(guān)系是：SDA必須在SCL是高電平時保持有效，在SCL是低電平時發(fā)送下一位(SCL會在上升沿對SDA進行采樣)。

傳輸與響應(yīng)一次傳8位數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后A釋放SDA，SCL再發(fā)一個脈沖(這是第九個脈沖)，觸發(fā)B將SDA置為低電平表示確認(該低電平稱為ACK)。最后SCL先變?yōu)楦唠娖?，SDA再變?yōu)楦唠娖?以上兩個動作稱為結(jié)束標(biāo)志)，如果B沒有將SDA置為0 ，則A停止發(fā)送下一幀數(shù)據(jù).。

整體時序I2C總線上的每個設(shè)備都有唯一地址，數(shù)據(jù)包傳輸時先發(fā)送地址位，接著才是數(shù)據(jù)。一個地址字節(jié)由7個地址位(可以掛128個設(shè)備)和1個指示位組成(7位尋址模式)，0表示寫，1表示讀。一般芯片手冊I2C地址都是7位地址，有些與某個引腳的電平相關(guān)，主機控制最后讀寫位。

實際項目一般都是采用I2C庫，有的庫要求傳入的是8位的寫的地址，有的是7位，由接口函數(shù)再區(qū)分讀寫補位。當(dāng)然，最愚蠢的辦法是從0到255定時循環(huán)讀某個寄存器地址，讀到正確值時的地址就是正確的從機地址。

一般情況下使用I2C庫，除了配置從機地址，其他的起始、結(jié)束等時序等其實不太關(guān)注，只需要配置時鐘頻率，一般看從機最大支持多少，以及主機的系統(tǒng)時鐘，太高會偶爾出現(xiàn)錯誤，再沒有時間要求的情況下，時鐘越低越穩(wěn)定。

3、慕容復(fù)斗轉(zhuǎn)星移之SPI

天龍八部的慕容復(fù)：雖然我不如喬峰可以使出降龍十八掌，但是他對我出手，我也以彼之道還施彼身，對方輸出時也會被反噬，互相傷害，他停止時鐘我也無可奈何。正如SPI，主機開啟了時鐘發(fā)數(shù)據(jù)，從機也在同時輸出，時鐘停，大家都收手。SPI 串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface)主從模式，一種高速的，全雙工同步的通信總線。標(biāo)準(zhǔn)SPI是4條線。SDI(數(shù)據(jù)輸入)、SDO(數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(時鐘)、CS(片選，有些也稱為SS)。

SDO/MOSI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入 ，master output slave input;SDI/MISO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，master input slave output;SCLK – 時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生;CS/SS – 從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制。當(dāng)有多個從設(shè)備的時候，主設(shè)備通過片選引腳選擇其中一個從設(shè)備進行通信。(I2C是通過軟件協(xié)議實現(xiàn)多選一，SPI是通過硬件實現(xiàn))。

當(dāng)主機控制CS，開啟時鐘閘門，主從雙方就可以開始放數(shù)據(jù)位或者取數(shù)據(jù)位進行交互了，但是在什么時機開始，就有標(biāo)準(zhǔn)了。根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置。

CPOL：時鐘極性選擇，為0時SPI總線空閑為低電平，為1時SPI總線空閑為高電平

CPHA：時鐘相位選擇，為0時在SCK第一個跳變沿采樣，為1時在SCK第二個跳變沿采樣

這樣就有四種模式。以模式1為例，空閑時為低，第一次時鐘跳變采樣，也就是上升沿讀數(shù)采樣，對著下降沿放數(shù)據(jù)。如果實在分不清，還有愚蠢的辦法，四種模式全部嘗試一次，就可知道正確模式。

SPI傳輸數(shù)據(jù)沒有位數(shù)限制，只要定義收發(fā)高位在前還是低位在前，可以持續(xù)高速傳輸。

正如前面，若是喬峰收手，慕容復(fù)就沒法使出降龍十八掌的效果，但是他可以當(dāng)面罵喬峰是契丹狗，喬峰一怒之下就發(fā)功，慕容復(fù)就奸計得逞。這契丹狗三字翻譯為軟件術(shù)語就是觸發(fā)中斷，從機發(fā)中斷告知主機我有事來找我；主機定時查詢也可實現(xiàn)，只是使用情況更少。

4、裘千尺的吐棗核絕技與1-wire

裘千丈的三妹裘千尺被囚地下，她以口噴射棗核釘打在棗樹，樹的搖晃就會掉下棗子充饑。這棗核釘是單向操作，用力過猛，棗核透過棗樹，用力太輕或者射偏了，棗樹沒有反應(yīng)，這樣棗核用完了就悲劇了?？梢娺@絕技，看起來簡便，實則背后隱藏了精確控制，對時機、位置控制要完美，如1-wire通信，單線控制，時鐘精準(zhǔn)。1-wire總線接口簡單，一根線就可以，一般內(nèi)部開漏輸出，外部硬件上拉。

這樣就有四種模式。以模式1為例，空閑時為低，第一次時鐘跳變采樣，也就是上升沿讀數(shù)采樣，對著下降沿放數(shù)據(jù)。如果實在分不清，還有愚蠢的辦法，四種模式全部嘗試一次，就可知道正確模式。

SPI傳輸數(shù)據(jù)沒有位數(shù)限制，只要定義收發(fā)高位在前還是低位在前，可以持續(xù)高速傳輸。

正如前面，若是喬峰收手，慕容復(fù)就沒法使出降龍十八掌的效果，但是他可以當(dāng)面罵喬峰是契丹狗，喬峰一怒之下就發(fā)功，慕容復(fù)就奸計得逞。這契丹狗三字翻譯為軟件術(shù)語就是觸發(fā)中斷，從機發(fā)中斷告知主機我有事來找我;主機定時查詢也可實現(xiàn)，只是使用情況更少。

4、裘千尺的吐棗核絕技與1-wire

裘千丈的三妹裘千尺被囚地下，她以口噴射棗核釘打在棗樹，樹的搖晃就會掉下棗子充饑。這棗核釘是單向操作，用力過猛，棗核透過棗樹，用力太輕或者射偏了，棗樹沒有反應(yīng)，這樣棗核用完了就悲劇了?？梢娺@絕技，看起來簡便，實則背后隱藏了精確控制，對時機、位置控制要完美，如1-wire通信，單線控制，時鐘精準(zhǔn)。1-wire總線接口簡單，一根線就可以，一般內(nèi)部開漏輸出，外部硬件上拉。

1-wire使用一條線來傳送的四種信令組成，包括復(fù)位脈沖和在線應(yīng)答脈沖的復(fù)位序列、寫 0 時隙、寫 1 時隙、讀時隙。除在線應(yīng)答脈沖以外，所有其它信號都由總線主機發(fā)出，并且發(fā)送的所有數(shù)據(jù)和命令都是字節(jié)的低位在前。主機與從機的數(shù)據(jù)通信是通過時隙完成的，在每個時隙只能傳送一位數(shù)據(jù)。通過寫時隙可把數(shù)據(jù)從主機傳送給從機，通過讀時隙可把數(shù)據(jù)由從器件傳送給主機，將完成一位傳輸?shù)臅r間稱為一個時隙。

一般操作流程參考外設(shè)芯片手冊，主要是不同平臺的延時處理，需要軟件實現(xiàn)1us延時的接口，否則數(shù)據(jù)通信異常。

5、秘籍功法

四種接口，每個都有合適的應(yīng)用場景，對硬件端口的占用、對軟件的控制要求、通信效率也不相同。尤其前3種屬于常用協(xié)議，一般都支持硬件接口，廠家也一般提供hal庫，對軟件開發(fā)人員的要求逐漸降低。這也導(dǎo)致代碼應(yīng)用很溜，實際底層原理略微欠缺，一旦通信異?；蛘哂刑厥庑枨缶蜔o從下手。如使用GPIO模擬出UART，使用SPI實現(xiàn)AT功能。

武林人士一般都追求失傳的武林秘籍，正如軟件開發(fā)人員，有問題總是寄希望與其他人的經(jīng)驗總結(jié)，或者廠家的技術(shù)支持或源碼，而不是創(chuàng)造新的功法。笑傲江湖的岳不群本是華山派掌門，精通紫霞神功，武功屬于一流，但是沒繼續(xù)專研自家內(nèi)功，為了辟邪劍譜自宮了，軟件開發(fā)人員想重蹈覆轍么?

不論劍宗、氣宗，先把功能跑通再反推代碼原理和實現(xiàn)流程，還是先理清時序和原理再編碼實現(xiàn)功能，短期內(nèi)劍宗效率高，加工資快;氣宗則可能被淘汰，尤其在勢利的小公司，不注重新人培養(yǎng)。如果合二為一，項目緊急則拿來就用，空閑時專研總結(jié)，取長補短，則是完美開發(fā)人員的素質(zhì)。

軟件開發(fā)沒有秘笈功法，全靠個人學(xué)習(xí)總結(jié)。

原文標(biāo)題：神解釋：UART/I2C/SPI/1-wire四大通信接口

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審核編輯：湯梓紅