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一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)一、名字目录http://www.360doc.cn/article/13253385_330564821.htmlhttps://blog.csdn.net/zhuyongxin_6688/article/details/78001767(有图,件)https://blog.csdn.net/Setul/article/details/78968242

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

http://www.360doc.cn/article/13253385_330564821.html

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

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(1)

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)

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(2)

模式1

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(3)

模式2

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(4)

模式3

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(5)

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)

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(6)

(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

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(7)

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(8)

(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

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(9)

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

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(10)

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

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(11)

(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)

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(12)

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(13)

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(14)

(2)下图是用PL2303芯片的USB转TTL串口

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(15)

下图是用CP2102芯片的USB转TTL串口

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(16)

下图是USB转RS-232串口

一张图看懂spi协议 接收数据(硬件通信之spiiic)(17)

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