SPI、I2C和UART

一、SPI
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）是Motorola公司提出的一種同步串行數據傳輸標準，在很多器件中被廣泛應用。

1. 接口
   SPI接口經常被稱爲4線串行總線，以主/從方式工作，數據傳輸過程由主機初始化。如圖1所示，其使用的4條信號線分別爲：
   1) SCLK：串行時鐘，用來同步數據傳輸，由主機輸出；
   2) MOSI：主機輸出從機輸入數據線，通常先傳輸MSB；
   3) MISO：主機輸入從機輸出數據線，通常先傳輸LSB；
   4) SS：片選線，低電平有效，由主機輸出。
   在SPI總線上，某一時刻可以出現多個從機，但只能存在一個主機，主機通過片選線來確定要通信的從機。這就要求從機的MISO口具有三態特性，使得該口線在器件未被選通時表現爲高阻抗。
   
2. 數據傳輸
   在一個SPI時鐘週期內，會完成如下操作：
   1) 主機通過MOSI線發送1位數據，從機通過該線讀取這1位數據；
   2) 從機通過MISO線發送1位數據，主機通過該線讀取這1位數據。
   這是通過移位寄存器來實現的。如圖2所示，主機和從機各有一個移位寄存器，且二者連接成環。隨着時鐘脈衝，數據按照從高位到低位的方式依次移出主機寄存器和從機寄存器，並且依次移入從機寄存器和主機寄存器。當寄存器中的內容全部移出時，相當於完成了兩個寄存器內容的交換。
   
3. 時鐘極性和時鐘相位
   在SPI操作中，最重要的兩項設置就是時鐘極性（CPOL或UCCKPL）和時鐘相位（CPHA或UCCKPH）。時鐘極性設置時鐘空閒時的電平，時鐘相位設置讀取數據和發送數據的時鐘沿。
   主機和從機的發送數據是同時完成的，兩者的接收數據也是同時完成的。所以爲了保證主從機正確通信，應使得它們的SPI具有相同的時鐘極性和時鐘相位。
   舉例來說，分別選取MSP430控制器和OLED驅動SH1101A爲主從機，圖3和圖4爲它們的SPI時序。由圖4可知，SH1101A的SPI時鐘空閒時爲高電平，並且在後時鐘沿接收數據，則MSP430控制器SPI的設置應與此保持一致。從圖3中可以看出，要使得時鐘在空閒時爲高電平，應將UCCKPL置1；要使得在後時鐘沿接收數據，應將UCCKPH清零。
   
   
4. 優缺點
   SPI接口具有如下優點：
   1) 支持全雙工操作；
   2) 操作簡單；
   3) 數據傳輸速率較高。
   同時，它也具有如下缺點：
   1) 需要佔用主機較多的口線（每個從機都需要一根片選線）；
   2) 只支持單個主機。

二、I2C

1. 接口
   
   I2C接口包括時鐘線（SCL）和數據線（SDA）。這兩條線都是漏極開路或者集電極開路結構，使用時需要外加上拉電阻，可以掛載多個設備。每個設備都有自己的地址，主機通過不同地址來選中不同的設備。
2. 一般操作
   1）主機給從機發數據
   • 發送開始條件START和從機地址；
   • 發送數據；
   • 發送停止條件STOP結束。
     2）主機從從機讀取數據
   • 發送開始條件START和從機地址；
   • 發送要讀取的地址；
   • 讀取數據；
   • 發送停止條件STOP結束。
     2.1開始和結束條件
     當SCL保持高電平期間，SDA從高電平跳變到低電平，即爲開始條件START。當SCL保持高電平期間，SDA從低電平跳變到高電平，即爲結束條件STOP。
     
     2.2 重複的起始條件
     與起始條件的區別是，它出現在結束條件STOP之前。例如讀取數據時，發送START、從機地址、要讀取的地址後，不需要發送STOP，而可以發送重複起始條件和從機地址，開始數據讀取。
     2.3 ACK和NACK
     數據傳輸時先傳MSB。接收者在每個字節後的第9個時鐘週期將SDA保持低電平進行確認數據接收成功；而在第9個時鐘週期將SDA保持高電平表示數據傳輸出錯，或者主機不再想接收數據。
     
     
     3. 數據讀寫
        1）寫數據
        
        2）讀數據
        
     4. 優缺點
        1）優點
        只使用兩條信號線；
        支持多主機多從機；
        有應答機制。
        2）缺點
        速率比SPI慢。

三、UART
UART是一種異步傳輸接口，不需要時鐘線，通過起始位和停止位及波特率進行數據識別。

1. 接口
   UART僅使用兩條線TXD和RXD用於數據的發和收。
   
2. 數據格式
   1）起始位
   數據線空閒狀態爲高電平，要發送數據時將其拉低一個時鐘週期表示起始位。
   2）數據位
   使用校驗位時，數據位可以有5~8位；如果不使用校驗位，數據位可以達9位。
   3）校驗位
   奇偶校驗，保證包括校驗位和數據位在內的所有位中1的個數爲偶數。
   4）停止位
   爲了表示數據包的結束，發送端需要將信號線從低電平變爲高電平，並至少保持2個時鐘週期。
3. 優缺點
   1）優點
   只使用兩條信號線；
   不需要時鐘信號；
   有校驗位進行錯誤檢測；
   2）缺點
   傳輸速率比較低。