SPI、UART、I2C总线详解
文章来源：汽车ECU设计
事实上电子设备之间的通信就像人类之间的交流，双方都需要说相同的语言。在电子产品中，这些语言称为通信协议。首先我们将从一些基本概念入手，然后再详细说明SPI的工作原理。
01
串行VS并行
电子设备通过发送数据位从而实现相互交谈。位是二进制的，只能是1或0。通过电压的快速变化，位从一个设备传输到另一个设备。在以5V工作的系统中，“0”通过0V的短脉冲进行通信，而“1”通过5V的短脉冲进行通信。
02
SPI总线
实际上，从机的数量受系统负载电容的限制，它会降低主机在电压电平之间准确切换的能力。
时钟信号
设备共享时钟信号的任何通信协议都称为同步。SPI是一种同步通信协议，还有一些异步通信不使用时钟信号。 例如在UART通信中，双方都设置为预先配置的波特率，该波特率决定了数据传输的速度和时序。
片选信号
主机通过拉低从机的CS/SS来使能通信。 在空闲/非传输状态下，片选线保持高电平。在主机上可以存在多个CS/SS引脚，允许主机与多个不同的从机进行通讯。
MOSI和MISO
使用SPI有一些优点和缺点，如果在不同的通信协议之间进行选择，则应根据项目要求进行充分考量。
优点
缺点
SPI使用四根线（I2C和UART使用两根线），没有信号接收成功的确认（I2C拥有此功能），没有任何形式的错误检查（如UART中的奇偶校验位等）。
03
UART通信
当接收UART检测到起始位时，它将以特定波特率的频率读取。波特率是数据传输速度的度量，以每秒比特数（bps）表示。两个UART必须以大约相同的波特率工作，发送和接收UART之间的波特率只能相差约10％。
发送UART从数据总线获取并行数据后，它会添加一个起始位，一个奇偶校验位和一个停止位来组成数据包并从Tx引脚上逐位串行输出，接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。
UART数据包含有1个起始位，5至9个数据位（取决于UART），一个可选的奇偶校验位以及1个或2个停止位：
起始位
数据帧
数据帧内包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为9位。
校验位
奇偶校验位是接收UART判断传输期间是否有任何数据更改的方式。接收UART读取数据帧后，它将对值为1的位数进行计数，并检查总数是偶数还是奇数，是否与数据相匹配。
停止位
为了向数据包的结尾发出信号，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压至少持续两位时间。
1.发送UART从数据总线并行接收数据：
2.发送UART将起始位，奇偶校验位和停止位添加到数据帧：
3.整个数据包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样：
4.接收UART丢弃数据帧中的起始位，奇偶校验位和停止位：
5.接收UART将串行数据转换回并行数据，并将其传输到接收端的数据总线：
优点
仅使用两根电线
无需时钟信号
具有奇偶校验位以允许进行错误检查
只要双方都设置好数据包的结构
有据可查并得到广泛使用的方法
缺点
数据帧的大小最大为9位
不支持多个从属系统或多个主系统
每个UART的波特率必须在彼此的10％之内
04
I2C总线
I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可传送信息。它结合了 SPI 和 UART 的优点，您可以将多个从机连接到单个主机（如SPI那样），也可以使用多个主机控制一个或多个从机。当您想让多个微控制器将数据记录到单个存储卡或将文本显示到单个LCD时，这将非常有用。
SDA (Serial Data) – 数据线。
SCL (Serial Clock) – 时钟线。
I2C的数据传输是以多个msg的形式进行，每个msg都包含从机的二进制地址帧，以及一个或多个数据帧，还包括开始条件和停止条件，读/写位和数据帧之间的ACK / NACK位：
启动条件：当SCL是高电平时，SDA从高电平向低电平切换。
停止条件：当SCL是高电平时，SDA由低电平向高电平切换。
寻址
主机将要通信的从机地址发送给每个从机，然后每个从机将其与自己的地址进行比较。如果地址匹配，它将向主机发送一个低电平ACK位。如果不匹配，则不执行任何操作，SDA线保持高电平。
读/写位
地址帧的末尾包含一个读/写位。如果主机要向从机发送数据，则为低电平。如果是主机向从机请求数据，则为高电平。
数据帧
3. 每个从机将主机发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配，则从机通过将SDA线拉低一位返回一个ACK位。如果主机的地址与从机的地址不匹配，则从机将SDA线拉高。
4. 主机发送或接收数据帧：
5. 传输完每个数据帧后，接收设备将另一个ACK位返回给发送方，以确认已成功接收到该帧：
单个主机VS多个从机
多个主机VS多个从机
I2C支持多个主机同时与多个从机相连，当两个主机试图通过SDA线路同时发送或接收数据时，就会出现问题。因此每个主机都需要在发送消息之前检测SDA线是低电平还是高电平。如果SDA线为低电平，则意味着另一个主机正在控制总线。如果SDA线高，则可以安全地发送数据。如果要将多个主机连接到多个从机，请使用4.7K欧的上拉电阻将SDA和SCL线连接到Vcc：
优点
仅使用两根电线
支持多个主机和多个从机
ACK / NACK位用于确认每个帧都已成功传输
硬件比UART更简单
众所周知且被广泛使用的协议
缺点
数据传输速率比SPI慢
数据帧的大小限制为8位
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