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UART、USART、SPI、IIC接口简介

一、概述

UART、USART、SPI、IIC接口都属于串口通信接口，通常这些接口常见于MCU、计算机、DSP和一些常用外围器件，控制器或者器件通过这类标准接口进行通信。这些通信接口都有各自不同的特点。

二、接口简介

UART：

UART：universal asynchronous receiver and transmitter通用异步收/发器 　　［Bus Signal］ TX ， RX   UART是一种通用串行通信总线，可实现全双工异步串行通信。在嵌入式系统设计中，通常用于控制系统与外设通信，包括控制器与控制器，控制器与终端设备等。   UART通信协议：   UART 作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。其中每一位(Bit)的意义如下：
  起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。
  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。从最低位开始传送，靠时钟定位。
  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)，以此来校验数据传送的正确性。
  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。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。
  空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。
  UART 协议传输时序如图所示：
  UART工作原理：   发送数据过程：空闲状态，线路处于高电位；当收到发送数据指令后，拉低线路一个数据位的时间 T，接着数据按低位到高位依次发送，数据发送完毕后，接着发送奇偶校验位和停止位（停止位为高电位），一帧数据发送结束。   接收数据过程：空闲状态，线路处于高电位；当检测到线路的下降沿（线路电位由高电位变为低电位）时说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕后，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知后续设备准备接收数据或存入缓存。由于UART是异步传输，没有传输同步时钟。为了能保证数据传输的正确性，UART 采用 16 倍数据波特率的时钟进行采样。每个数据有 16 个时钟采样，取中间的采样值，以保证采样不会滑码或误码。一般 UART 一帧的数据位数为 8，这样即使每个数据有一个时钟的误差，接收端也能正确地采样到数据。   UART的接收数据时序为：当检测到数据的下降沿时，表明线路上有数据进行传输，这时计数器CNT开始计数，当计数器为24=16+8 时，采样的值为第0位数据；当计数器的值为40时，采样的值为第1位数据，依此类推，进行后面6个数据的采样。如果需要进行奇偶校验，则当计数器的值为152时，采样的值即为奇偶位；当计数器的值为 168 时，采样的值为"1"表示停止位，一帧数据接收完成。一个标准的10位异步串行通信协议(包含1个起始位、1个停止位和8个数据位)收发时序，如下图所示：


USART：   USART：universal synchronous asynchronous receiver and transmitter通用同步异步收发器 　　   ［Bus Signal］ TX， RX， CK 　　USART支持同步模式，因此USART 需要同步始终信号USART_CK（如STM32 单片机），通常情况同步信号很少使用，因此一般的单片机UART和USART使用方式是一样的，都使用异步模式。  USART特点： 　　1. 全双工操作（相互独立的接收数据和发送数据）； 　　2. 同步操作时，可主机时钟同步，也可从机时钟同步； 　　3. 独立的高精度波特率发生器，不占用定时/计数器； 　　4. 支持5、6、7、8和9位数据位，1或2位停止位的串行数据桢结构； 　　5. 由硬件支持的奇偶校验位发生和检验； 　　6. 数据溢出检测； 　　7. 帧错误检测； 　　8. 包括错误起始位的检测噪声滤波器和数字低通滤波器； 　　9. 三个完全独立的中断，TX发送完成、TX发送数据寄存器空、RX接收完成； 　　10.支持多机通信模式； 　　11.支持倍速异步通信模式。

SPI：

  SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。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，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。
 SPI通信原理： SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。 （1）SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入； （2）SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出； （3）SCLK – 时钟信号，由主设备产生； （4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制。 其中，CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电平或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。 要注意的是，SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，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SCLK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SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。 但是，SPI接口有一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。 SPI是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。 假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。 那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿 到来的时候，sdi上的电平将锁存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，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。这样就完成了一个spi时序。

IIC：

  IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线），这种总线类型是由飞利浦半导体公司在八十年代初设计出来的一种简单、双向、二线制、同步串行总线，主要是用来连接整体电路（ICS） ，IIC是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实时数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线接口。   在硬件结构上，I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。设备上的串行数据线SDA接口电路应该是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。而串行时钟线也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过SCL输出电路发送时钟信号，另一方面还要检测总线上的SCL电平，以决定什么时候发送下一个时钟脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线上的SCL信号发出或接收SDA上的信号，也可以向SCL线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。总线空闲时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻Rp使SDA和SCL线都保持高电平。任一设备输出的低电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的SDA是“与”关系，SCL也是“与”关系。 IIC 接口的协议里面包括设备地址信息，可以同一总线上连接多个从设备，通过应答来互通数据及命令。但是传输速率有限，标准模式下可达到100Kbps，快速模式下可达到400Kbps（我们开发板一般在130Kbps），高速模式下达到4Mbps，不能实现全双工，不适合传输很多的数据。IIC总线是一个真正的多主机总线，总线上多个主机初始化传输，可以通过传输检测和仲裁来防止数据被破坏 。

三、四种接口区别

四种接口在电气信号的区别如下：
  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)。 
  UART和USART总线是异步串口和同步/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。


    上面只是对四种常用接口做了简单对比性介绍，参考了一些接口协议等论文和相关文章，如http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/8237881/  如果要详细了解每一种接口，还需要从概念、原理、通信协议、逻辑时序、物理层电路实现等方面深入研究。
    后续将会针对每一种接口的数字电路实现（FPGA）和相关器件驱动做详细介绍。