教你分清楚SPI、I2C、UART、I2S、GPIO、SDIO、CAN！

總線，總線，總要陷進里面。這世界上的信號都一樣，但是總線卻成千上萬，讓人頭疼。

總的來說，總線有三種：內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線是微機內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；而系統(tǒng)總線是微機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互連；外部總線則是微機和外部設(shè)備之間的總線，微機作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級的互連。

除了總線外，還有一些接口，它們是多種總線的集合體，或者說來者不拒。

SPI (Serial Peripheral Interface)：MOTOROLA公司提出的同步串行總線方式。高速同步串行口。3～4線接口，收發(fā)獨立、可同步進行。

因其硬件功能強大而被廣泛應(yīng)用。在單片機組成的智能儀器和測控系統(tǒng)中。如果對速度要求不高，采用SPI總線模式是個不錯的選擇。它可以節(jié)省I/O端口,提高外設(shè)的數(shù)目和系統(tǒng)的性能。標(biāo)準(zhǔn)SPI總線由四根線組成：串行時鐘線(SCK)、主機輸入/從機輸出線(MISO)。主機輸出/從機輸入線(MOSI)和片選信號(CS)。有的SPI接口芯片帶有中斷信號線或沒有MOSI。

SPI總線由三條信號線組成：串行時鐘(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)、串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)。SPI總線可以實現(xiàn)多個SPI設(shè)備互相連接。提供SPI串行時鐘的SPI設(shè)備為SPI主機或主設(shè)備(Master)，其他設(shè)備為SPI從機或從設(shè)備(Slave)。主從設(shè)備間可以實現(xiàn)全雙工通信，當(dāng)有多個從設(shè)備時，還可以增加一條從設(shè)備選擇線。如果用通用IO口模擬SPI總線，必須要有一個輸出口(SDO)，一個輸入口(SDI)，另一個口則視實現(xiàn)的設(shè)備類型而定，如果要實現(xiàn)主從設(shè)備，則需輸入輸出口，若只實現(xiàn)主設(shè)備，則需輸出口即可，若只實現(xiàn)從設(shè)備，則只需輸入口即可。

I2C(Inter－Integrated Circuit)：由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。

I2C總線用兩條線(SDA和SCL)在總線和裝置之間傳遞信息，在微控制器和外部設(shè)備之間進行串行通訊或在主設(shè)備和從設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳送。I2C是OD輸出的，大部分I2C都是2線的（時鐘和數(shù)據(jù)），一般用來傳輸控制信號。

I2C是多主控總線，所以任何一個設(shè)備都能像主控器一樣工作，并控制總線。總線上每一個設(shè)備都有一個獨一無二的地址，根據(jù)設(shè)備它們自己的能力，它們可以作為發(fā)射器或接收器工作。多路微控制器能在同一個I2C總線上共存。

UART：通用異步串行口，按照標(biāo)準(zhǔn)波特率完成雙向通訊，速度慢。

UART總線是異步串口，因此一般比前兩種同步串口的結(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，硬件上由兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收。

UART是用于控制計算機與串行設(shè)備的芯片。有一點要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計算機就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：

將由計算機內(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。將計算機外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機內(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)流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進行奇偶校驗。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（鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備）。可以處理計算機與外部串行設(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，它可以在計算機需要處理數(shù)據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲16字節(jié)數(shù)據(jù)，而通常的UART是8250?，F(xiàn)在如果您購買一個內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常就會有16550 UART。

SPI、I2C和UART做個比較

SPI和I2C這兩種通信方式都是短距離的，芯片和芯片之間或者其他元器件如傳感器和芯片之間的通信。SPI和IIC是板上通信,IIC有時也會做板間通信,不過距離甚短,不過超過一米,例如一些觸摸屏,手機液晶屏那些薄膜排線很多用IIC,I2C能用于替代標(biāo)準(zhǔn)的并行總線，能連接的各種集成電路和功能模塊。I2C是多主控總線，所以任何一個設(shè)備都能像主控器一樣工作，并控制總線?？偩€上每一個設(shè)備都有一個獨一無二的地址，根據(jù)設(shè)備它們自己的能力，它們可以作為發(fā)射器或接收器工作。多路微控制器能在同一個I2C總線上共存這兩種線屬于低速傳輸。

而UART是應(yīng)用于兩個設(shè)備之間的通信，如用單片機做好的設(shè)備和計算機的通信。這樣的通信可以做長距離的。UART速度比上面兩者者快,最高達100K左右,用與計算機與設(shè)備或者計算機和計算之間通信,但有效范圍不會很長,約10米左右,UART優(yōu)點是支持面廣,程序設(shè)計結(jié)構(gòu)很簡單,隨著USB的發(fā)展,UART也逐漸走向下坡。

I2S（Inter-IC Sound Bus）是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻 數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。

I2S則大部分是3線的（除了時鐘和數(shù)據(jù)外，還有一個左右聲道的選擇信號），I2S主要用來傳輸音頻信號。如STB、DVD、MP3等常用

I2S標(biāo)準(zhǔn)中，既規(guī)定了硬件接口規(guī)范，也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。I2S有3個主要信號：1）串行時鐘SCLK，也叫位時鐘（BCLK），即對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCLK都有1個脈沖。SCLK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數(shù)。2）幀時鐘LRCK，(也稱WS)，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCK為“1”表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。LRCK的頻率等于采樣頻率。3） 串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。

有時為了使系統(tǒng)間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個信號MCLK，稱為主時鐘，也叫系統(tǒng)時鐘（Sys Clock），是采樣頻率的256倍或384倍。

GPIO (General Purpose Input Output 通用輸入/輸出)或總線擴展器，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C、SMBus或SPI接口簡化了I/O口的擴展。

當(dāng)微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當(dāng)系統(tǒng) 需要采用遠端串行通信或控制時，GPIO產(chǎn)品能夠提供額外的控制和監(jiān)視功能。每個GPIO端口可通過軟件分別配置成輸入或輸出。Maxim的GPIO產(chǎn)品線包括8端口至28端口的GPIO，提供推挽式輸出或漏極開路輸出。提供微型3mm x 3mm QFN封裝。

GPIO的優(yōu)點(端口擴展器)：

低功耗：GPIO具有更低的功率損耗(大約1μA，μC的工作電流則為100μA)。

集成IIC從機接口：GPIO內(nèi)置IIC從機接口，即使在待機模式下也能夠全速工作。

小封裝：GPIO器件提供最小的封裝尺寸 ― 3mm x 3mm QFN!

低成本：您不用為沒有使用的功能買單！

快速上市：不需要編寫額外的代碼、文檔，不需要任何維護工作！

靈活的燈光控制：內(nèi)置多路高分辨率的PWM輸出。

可預(yù)先確定響應(yīng)時間：縮短或確定外部事件與中斷之間的響應(yīng)時間。

更好的燈光效果：匹配的電流輸出確保均勻的顯示亮度。

布線簡單：僅需使用2條IIC總線或3條SPI總線

SDIO

SDIO是SD型的擴展接口，除了可以接SD卡外，還可以接支持SDIO接口的設(shè)備，插口的用途不止是插存儲卡。支持 SDIO接口的PDA，筆記本電腦等都可以連接象GPS接收器，Wi-Fi或藍牙適配器，調(diào)制解調(diào)器，局域網(wǎng)適配器，條型碼讀取器，F(xiàn)M無線電，電視接收 器，射頻身份認證讀取器，或者數(shù)碼相機等等采用SD標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備。

SDIO協(xié)議是由SD卡的協(xié)議演化升級而來的，很多地方保留了SD卡的讀寫協(xié)議，同時SDIO協(xié)議又在SD卡協(xié)議之上添加了CMD52和CMD53命令。由于這個，SDIO和SD卡規(guī)范間的一個重要區(qū)別是增加了低速標(biāo)準(zhǔn)，低速卡的目標(biāo)應(yīng)用是以最小的硬件開始來支持低速I/O能力。低速卡支持類似調(diào)制解調(diào)器,條形碼掃描儀和GPS接收器等應(yīng)用。高速卡支持網(wǎng)卡，電視卡還有“組合”卡等，組合卡指的是存儲器+SDIO。

SDIO和SD卡的SPEC間的又一個重要區(qū)別是增加了低速標(biāo)準(zhǔn)。SDIO卡只需要SPI和1位SD傳輸模式。低速卡的目標(biāo)應(yīng)用是以最小的硬件開支來支持低速I/O能力，低速卡支持類似MODEM，條形掃描儀和GPS接收器等應(yīng)用。對組合卡來說，全速和4BIT操作對卡內(nèi)存儲器和SDIO部分都是強制要求的。

在非組合卡的SDIO設(shè)備里，其最高速度要只有達到25M，而組合卡的最高速度同SD卡的最高速度一樣，要高于25M。

CAN

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。

一個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(jié)點。CAN 可提供高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。

CAN總線的特點：

1)可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。

2)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。

3)采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。

4)可以點對點，一點對多點及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。

5)直接通信距離最遠可達10km(速率4Kbps以下)。

6)通信速率最高可達1MB/s(此時距離最長40m)。