一文概述MCU常用通信总线

1万 · 2024-9-6 15:33

对于新手来说，UART、SPI、I2C等通信总线是学习单片机必备的技能，也是我们实际项目常用的一些总线。
UART 总线UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter）是一种用于串行通信的硬件模块，它在计算机和外部设备之间传输数据。让我们深入了解UART的工作原理：起始位 (Start Bit):起始信号：通信的每个数据帧开始时，UART发送一个逻辑低电平的起始位（Start Bit）来指示数据的传输开始。同步校准：接收方根据起始位的变化来进行同步校准，确保正确解析数据的开始。数据位 (Data Bits):传输数据：在起始位之后，UART逐位传输数据位。每个数据位代表数据中的一个二进制位，可以是5至8位，具体取决于通信协议。传输顺序：通常，数据位是按照最低有效位（LSB）优先的顺序进行传输。校验位 (Parity Bit):校验数据：校验位是可选的。如果使用校验位，UART会根据数据位的值计算出一个奇偶校验位，使得数据帧中1的位数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。数据完整性：接收方使用接收到的数据位和校验位来检查数据是否传输正确。如果校验失败，可能意味着数据在传输过程中发生了错误。停止位 (Stop Bit):结束信号：在数据位和可能的校验位之后，UART发送一个或多个停止位来指示数据的结束。停止位通常为逻辑高电平。分离数据：停止位提供了数据帧之间的分隔，让接收方知道何时结束解析当前数据并准备接收下一个数据帧。空闲位 (Idle State):空闲状态：在数据帧之间，UART线路保持在逻辑高电平状态，称为空闲位。这个空闲时间用于下一个数据帧的准备，同时也有助于同步。UART通信通过逐位传输起始位、数据位、校验位、停止位和空闲位，实现了串行数据的可靠传输。这种通信方式适用于许多不同领域的应用，如计算机与外部设备的连接，嵌入式系统通信以及传感器数据传输等。每个位的状态和顺序都具有特定的意义，确保了数据的完整性和正确性。SPI总线SPI（Serial Peripheral Interface）协议解释：SPI是一种同步的串行通信协议，用于在主机和多个外设（从机）之间进行数据传输。SPI通信使用一组信号线进行数据和时钟同步传输。SPI协议包括以下几个核心信号：CS (Chip Select)：片选信号，由主机控制，用于选择特定的从机设备以进行通信。SCK (Serial Clock)：时钟信号，由主机产生，用于同步数据传输。MOSI (Master Output Slave Input)：主机向从机传输数据的信号线。MISO (Master Input Slave Output)：从机向主机传输数据的信号线。
(CPOL) Clock Polarity：时钟极性被设置为0，表示时钟信号在空闲期间为低电平状态。(CPOL) Clock Polarity：时钟极性被设置为1，表示时钟信号在空闲期间为高电平状态。(CPHA) Clock Phase ：时钟相位被设置为0，表示在时钟信号的第一个跳变沿进行数据采样（捕获）。(CPHA) Clock Phase ：时钟相位被设置为1，表示在时钟信号的第二个跳变沿进行数据采样（捕获）。1. 模式0（CPOL = 0，CPHA = 0）：模式0的特点是时钟信号从低电平开始，交替在低电平和高电平之间切换。数据在时钟的上升沿进行捕获，并在下降沿进行传输。2. 模式1（CPOL = 0，CPHA = 1）：模式1保持时钟在低电平状态下的空闲期间。数据在时钟的下降沿进行捕获，并在上升沿进行传输。3. 模式2（CPOL = 1，CPHA = 0）：模式2的特点是时钟信号从高电平开始，交替在高电平和低电平之间切换。数据在时钟的下降沿进行捕获，并在上升沿进行传输。4. 模式3（CPOL = 1，CPHA = 1）：模式3保持时钟在高电平状态下的空闲期间。数据在时钟的上升沿进行捕获，并在下降沿进行传输。I2C总线I²C（Inter-Integrated
Circuit，又称为IIC或I2C）总线是一种常用于连接集成电路芯片（IC）之间的串行通信协议。它被广泛应用于数字设备之间短距离的通信，如连接传感器、存储器、显示屏、扩展模块等。I²C总线允许多个设备在同一总线上通信，通过共享两根信号线（串行数据线SDA和串行时钟线SCL）来传输数据。以下是I²C总线的一些关键特点：双线制：I²C总线由两根信号线组成：SDA（Serial Data Line）和SCL（Serial Clock Line）。SDA用于传输数据，SCL用于传输时钟信号。主从结构：I²C总线有两种设备类型：主设备（Master）和从设备（Slave）。主设备负责发起通信并控制总线上的时钟信号，而从设备则被主设备控制以响应通信请求。起始和停止条件：通信的开始由主设备发送的起始条件标志，而通信的结束由主设备发送的停止条件标志。这些条件标志帮助控制通信的开始和结束。起始：时钟线SCL为高时，数据线SDA由高到低停止：时钟线SCL为高时，数据线SDA由低到高地址传输：每个I²C设备都有一个唯一的7位或10位地址，用于在总线上标识自己。通信始终以发送设备地址开始，指示通信目标设备。数据传输：I²C使用两个信号线在时钟信号的辅助下传输数据。数据通过SDA线传输，每个数据位都在SCL线的时钟脉冲上同步传输。I2C总线进行数据传送时，在SCL的每个时钟脉冲期间传输一个数据位，时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定
，只有在时钟线SCL上的信号为低电平期间，数据线SDA上的高电平或低电平状态才允许变化，因为当SCL是高电平时，数据线SDA的变化被规定为**
控制命令**（START或STOP，也就是前面的起始信号和停止信号）。字节和帧：通信以字节为单位进行，每个字节都由8位数据组成。在传输数据时，一个字节的数据会在SCL线上的8个时钟脉冲内传输。应答机制：每个数据字节的传输后，接收设备会返回一个应答（ACK或NACK）信号，以指示是否成功接收了数据。这表示IIC的应答机制SCL，主机产生的时钟脉冲SDA，主机发送的8位数据，然后从机在第9个时钟信号进行拉低回应，表示收到了主机发来的数据，拉高则表示不应答IIC应答是一种相互关系，单片机发数据给IIC器件，IIC器件要进行应答，表示收到了数据，同样，单片机接收IIC器件的数据后，也要给IIC器件一个应答。既然发送完都需要对方回应，那什么时候使用不应答呢？就是在读取到本次数据后，如果不需要继续读取，则发送非应答，对方以为你没收到这次数据，则就不会继续发送了。时钟速率：I²C总线支持不同的时钟速率，通常为100 kbps、400 kbps和1 Mbps等。时钟速率取决于主设备和从设备的能力。多主设备：I²C总线支持多主设备操作，允许多个主设备在总线上交替进行通信。I²C总线提供了一种简单、有效的方式来连接多个数字设备，并支持可靠的数据传输。它在嵌入式系统、电子设备和通信领域广泛应用，为设备之间的通信提供了一种灵活和标准化的解决方案。I2S总线I2S（Inter-IC Sound）总线是一种用于在集成电路之间传输音频数据的串行通信协议。它通常用于数字音频应用，如音频编解码器、数字信号处理器、音频接口等。I2S总线由三条线组成：串行数据线（Serial Data or SD）：用于传输音频数据的串行位流。这条线上的数据通常是左声道和右声道的交替采样数据。串行时钟线（Serial Clock or SCK）：这是一个同步时钟信号，用于同步传输数据的节奏。每个数据位都在时钟的边沿进行传输。帧同步线（Word Select or WS）：也称为帧时钟（Frame Clock or FCLK），它指示一个音频帧的开始。在左声道和右声道之间切换时，会发出这个信号。I2S总线的工作方式可以通过以下步骤进行描述：帧同步（Frame Sync）：帧同步信号指示一个音频帧的开始。在传输开始时，帧同步线会发出一个脉冲。数据传输：在每个帧内，左声道和右声道的音频数据会在串行数据线上交替传输。传输发生在串行时钟信号的边沿。时钟同步：串行时钟信号用于同步数据传输。接收器需要根据时钟信号的边沿来正确解析音频数据。I2S总线广泛用于数字音频系统中，例如将麦克风或模拟音频信号转换为数字格式，然后通过I2S接口将其传输到音频处理器或编解码器。它在许多消费电子产品中都有应用，包括音频播放器、智能手机、电视等。I2S总线是一种方便的音频数据传输协议，可以有效地在集成电路之间传输音频信号。
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