SPI、I2C、UART三种串行总线协议的区别

SPI、I2C、UART三种串行总线协议的区别SPI、I2C、UART三种串行总线协议的区别
(2009-07-09 17:24:10)
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【转载】SPI、I2C、UART三种串行总线协议的区别
第一个区别当然是名字：
SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口);
I2C(INTER IC BUS)
UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)
第二，区别在电气信号线上：
SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。

SPI总线
可以实现多个SPI设备互相连接。

提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为
SPI从机或从设备(Slave)。

主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备
选择线。

如果用通用IO口模拟SPI总线，必须要有一个输出口(SDO)，一个输入口(SDI)，另一个口则视实现的
设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出口，若只实现主设备，则需输出口即可，
若只实现从
设备，则只需输入口即可。

I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，
非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。

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。

如果用通用IO口模拟I2C总线，并实现双向传输，则需一个输入输出口(SDA)，另外还需一个输出口
(SCL)。

（注：I2C资料了解得比较少，这里的描述可能很不完备）
UART总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一般由波特率产生
器(产生的
波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用
于发送，一根
用于接收。

显然，如果用通用IO口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。

第三，从第二点明显可以看出，SPI和UART可以实现全双工，但I2C不行；
第四，看看牛人们的意见吧！
wudanyu：I2C线更少，我觉得比UART、SPI更为强大，但是技术上也更加麻烦些，因为I2C 需要有双
向IO的支持，而且使用上拉电阻，我觉得抗干扰能力较弱，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。

SPI实现要简单一些，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。

quickmouse：I2C的速度比SPI慢一点，协议比SPI复杂一点，但是连线也比标准的SPI要少。

SPI协议简介
SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如P89LPC900.
SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，其工作模式有两种：主模式和从模式，无论那种模式，都支持3Mbit/s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。

到目前为止，我使用过的具有SPI总线的器件，就是存储芯片Eprom：at25128，在使用过程中，发现的确是有这种总线的优点。

下面以P89LPC900单片机的SPI总线来解释SPI总线的通用使用规则。

LPC900单片机的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及/SS，其中SPICLK 是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO是主机的输入，从机的输出。

/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。

在一个SPI通信系统中，必须有主机。

SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。

今以互为主从模式作为讲解：
要进行SPI互为主从操作，必须遵照以下步骤：
1 对A、B进行初始化，均设为主机（需要进行以下操作）。

a) SPI端口初始化为准双向。

b) SPCTL配置为0x50，SSIG=0，SPEN=1，MSTR=1。

c) 清除SPSTAT中的SPIF及WCOL标志位为0。

d) 如果需要使用SPI中断，可使能相应中断位。

2 将A上一个引脚连接到B的/SS引脚上，然后拉低/SS，可将B强行置为从机模式，同时B机会发生以下变化：
a) B机的MSTR位自动清0。

b) B机的MOSI及SPICLK强行变为输入模式，MISO则变为输出模式。

c) B机SPIF位置位。

d) 如果SPI中断使能，B机将执行SPI中断服务程序。

3 B机可设置为查询接收或中断接收方式，以时刻准备接收由A机发送过来的数据，要使B机恢复为主机，必须完整执行步骤1。

本示例中，通过两块DP932 实验板构成了SPI互为主从测试系统。

程序中应注意的问题：
1 程序中应注意对首次拉低SS引脚进行处理：当A机首次通过B_SS将B机设置为从机后，从机的SBIF位会置位（会被认为完成一次传输），如果这之前，使能了SPI中断，则从机则会执行相应的中断服务程序（本示例程序中，当B机的SS引脚被拉为低电平，B机的SBIF首次置位进行处理）。

2 关于从机恢复为主机的问题：互为主从模式中，当B机被A机设置为从机后，CPCTL寄存器中MSTR位被清除为0，且SPIF被置1，MOSI和SPICLK强制变为输入模式，MISO强制变为输出模式。

要想恢复为主机，必须执行以下操作：
a) 将MSTR位置1，SPIF位清0。

b) 将MOSI，SPICLK，MISO及SS重新恢复为准双向口。

c) 在a)、b)之前，需要注意将B_SS拉高，如果其一直为低电平，即使完成a)、b)操作，也会将B机重新设置为从机。

3 在SPI总线的使用过程中，可以通过DORD（SPI数据顺序选择位），CPOL（SPI时钟极性选择位），CPHA（ SPI时钟相位选择位）控制主/从机传输格式。

对于本实验，可以忽略这些位
的影响，但是在使用一些其他SPI器件时，必须根据从器件数据手册的要求，对SPI数据的传输顺序，SPI的时钟极性，及SPI的时钟相位进行正确的设置。

4 一些SPI的应用系统，由于硬件的设计并不是很合理，所以有时SPI通信不正常（传输数据出错，或其他情况），你可以试着降低SPI总线的传输速率，或者调节一些SPI时钟极性及相位，以使传输稳定。

I2C总线原理
I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由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。

I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。

例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。

可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。

1 I2C总线特点 I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。

由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。

总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。

I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。

一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。

当然，在任何时间点上只能有一个主控。

2 I2C总线工作原理 2.1 总线的构成及信号类型 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。

在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。

各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。

CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。

这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的IC 在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。

若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。

带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系
列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。

很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。

3 总线基本操作 I2C规程运用主/从双向通讯。

器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。

主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。

总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。

SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改
变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

参见图1。

图1 串行总线上的数据传送顺序
3.1 控制字节在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。

如图2所示。

图2 控制字节配置
3.2 写操作写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。

关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3。

图3 页面写
3.3 读操作读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。

图4给出的是顺序读的时序图。

应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。

为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。

图4 顺序读
UART
UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置，UART是
一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上，多数是 16550AFN芯片。

因为计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（First Input First Output，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。

它是用于控制计算机与串行设备的芯片。

有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS- 232C接口的串行设备通信了。

作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。

将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。

在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。

在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。

处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。

可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。

有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，现在比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。

现在如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。

该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。

在嵌入式设计中，UART用来与PC进行通信
，包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

UART通信
UART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。

消息帧从一个低位起始位开始，后面是7个或8个数据位，一个可用的奇偶位和一个
或几个高位停止位。

接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。

如果选择了奇偶，UART就在数据位后面加上
奇偶位。

奇偶位可用来帮助错误校验。

在接收过程中，UART从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。

UART也产生额外的
信号来指示发送和接收的状态。

例如，如果产生一个奇偶错误，UART就置位奇偶标志。

数据方向和通信速度
数据传输可以首先从最低有效位(LSB)开始。

然而，有些UART允许灵活选择先发送最低有效位或最高有效位(MSB)。

微控制器中的UART传送数据的速度范围为每秒几百位到1.5Mb。

例如，嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高达
1.1152Mbps。

UART波特率还受发送和接收线对距离(线长度)的影响。

目前，市场上有只支持异步通信和同时支持异步与同步通信的两种硬件可用于UART。

前者就是UART名字本身的含义，在摩托罗拉微控制器
中被称为串行通信接口(SCI)；Microchip微控制器中的通用同步异步收发器(USART)和在富士通微控制器中的UART是后者的两个典型例子。

计算机中的UART
UART是计算机中串行通信端口的关键部分。

在计算机中，UART相连于产生兼容RS232规范信号的电路。

RS232标准定义逻辑“1”信号相对于
地为3到25伏，而逻辑“0”相对于地为-3到-25伏。

所以，当一个微控制器中的UART相连于PC 时，它需要一个RS232驱动器来转换电平。