標(biāo)題: I2C SPI UART和CAN通信協(xié)議的區(qū)別 [打印本頁] 作者: 51黑er 時間: 2015-11-1 23:24 標(biāo)題: I2C SPI UART和CAN通信協(xié)議的區(qū)別 I2C的數(shù)據(jù)輸入輸出用的是一根線，SPI則分為dataIN和dataOUT。由于這個原因，采用I2C時CPU的端口占用少，SPI多一根。但是由于I2C的數(shù)據(jù)線是雙向的，所以隔離比較復(fù)雜，SPI則比較容易。所以系統(tǒng)內(nèi)部通信可用I2C,若要與外部通信則最好用SPI帶隔離（可以提高抗干擾能力）。但是I2C和SPI都不適合長距離傳輸。長距離時就要用485了。
第一：
SPI(Serial Peripheral Interface：串行外設(shè)接口); I2C(INTER IC BUS)；UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用異步收發(fā)器)
第二，區(qū)別在電氣信號線上：
SPI總線由三條信號線組成：串行時鐘(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)、串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)。SPI總線可以實(shí)現(xiàn)多個SPI設(shè)備互相連接。提供SPI串行時鐘的SPI設(shè)備為SPI主機(jī)或主設(shè)備(Master)，其他設(shè)備為SPI從機(jī)或從設(shè)備(Slave)。主從設(shè)備間可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，當(dāng)有多個從設(shè)備時，還可以增加一條從設(shè)備選擇線。 如果用通用IO口模擬SPI總線，必須要有一個輸出口(SDO)，一個輸入口(SDI)，另一個口則視實(shí)現(xiàn)的設(shè)備類型而定，如果要實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備，則需輸入輸出口，若只實(shí)現(xiàn)主設(shè)備，則需輸出口即可，若只實(shí)現(xiàn)從設(shè)備，則只需輸入口即可。
I2C總線是雙向、兩線(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口標(biāo)準(zhǔn)，具有總線仲裁機(jī)制，非常適合在器件之間進(jìn)行近距離、非經(jīng)常性的數(shù)據(jù)通信。在它的協(xié)議體系中，傳輸數(shù)據(jù)時都會帶上目的設(shè)備的設(shè)備地址，因此可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)。 如果用通用IO口模擬I2C總線，并實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，則需一個輸入輸出口(SDA)，另外還需一個輸出口(SCL)。（注：I2C資料了解得比較少，這里的描述可能很不完備）
UART總線是異步串口，因此一般比前兩種同步串口的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多，一般由波特率產(chǎn)生器(產(chǎn)生的波特率等于傳輸波特率的16倍)、UART接收器、UART發(fā)送器組成，硬件上由兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收。顯然，如果用通用IO口模擬UART總線，則需一個輸入口，一個輸出口。
第三，從第二點(diǎn)明顯可以看出，SPI和UART可以實(shí)現(xiàn)全雙工，但I(xiàn)2C不行；
個人認(rèn)為:
I2C線更少，我覺得比UART、SPI更為強(qiáng)大，但是技術(shù)上也更加麻煩些，因為I2C需要有雙向IO的支持，而且使用上拉電阻，我覺得抗干擾能力較弱，一般用于同一板卡上芯片之間的通信，較少用于遠(yuǎn)距離通信。SPI實(shí)現(xiàn)要簡單一些，UART需要固定的波特率，就是說兩位數(shù)據(jù)的間隔要相等，而SPI則無所謂，因為它是有時鐘的協(xié)議。
I2C的速度比SPI慢一點(diǎn)，協(xié)議比SPI復(fù)雜一點(diǎn)，但是連線也比標(biāo)準(zhǔn)的SPI要少。
SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOST和低電平有效的從機(jī)選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT或INT、有的SPI接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。
SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。
（1）SDO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入
（2）SDI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出
（3）SCLK – 時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生
（4）CS – 從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制
其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能。
接下來就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)�。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。
要注意的是，SCK信號線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設(shè)備中，至少有一個主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：這樣的傳輸方式有一個優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時鐘跳變時，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。SPI還是一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關(guān)器件的文檔。
在點(diǎn)對點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。在多個從設(shè)備的系統(tǒng)中，每個從設(shè)備需要獨(dú)立的使能信號，硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。
最后，SPI接口的一個缺點(diǎn)：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。
AT91RM9200的SPI接口主要由4個引腳構(gòu)成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整個SPI總線的公用時鐘，MOSI、MISO作為主機(jī)，從機(jī)的輸入輸出的標(biāo)志，MOSI是主機(jī)的輸出，從機(jī)的輸入，MISO 是主機(jī)的輸入，從機(jī)的輸出。/SS是從機(jī)的標(biāo)志管腳，在互相通信的兩個SPI總線的器件，/SS管腳的電平低的是從機(jī)，相反/SS管腳的電平高的是主機(jī)。在一個SPI通信系統(tǒng)中，必須有主機(jī)。SPI總線可以配置成單主單從，單主多從，互為主從。SPI的片選可以擴(kuò)充選擇16個外設(shè),這時PCS輸出=NPCS,說NPCS0~3接4-16譯碼器,這個譯碼器是需要外接4-16譯碼器，譯碼器的輸入為NPCS0~3，輸出用于16個外設(shè)的選擇。
SPI協(xié)議舉例
SPI是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時序其實(shí)很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
假設(shè)下面的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。
那么第一個上升沿來的時候 數(shù)據(jù)將會是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來的時候，sdi上的電平將所存到寄存器中去，那么這時寄存器=0101010sdi，這樣在 8個時鐘脈沖以后，兩個寄存器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成里一個spi時序。
舉例：
假設(shè)主機(jī)和從機(jī)初始化就緒：并且主機(jī)的sbuff=0xaa，從機(jī)的sbuff=0x55，下面將分步對spi的8個時鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍:假設(shè)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)
這樣就完成了兩個寄存器8位的交換，，sdi、sdo相對于主機(jī)而言的。其中ss引腳作為主機(jī)的時候，從機(jī)可以把它拉底被動選為從機(jī)，作為從機(jī)的是時候，可以作為片選腳用。根據(jù)以上分析，一個完整的傳送周期是16位，即兩個字節(jié)，因為，首先主機(jī)要發(fā)送命令過去，然后從機(jī)根據(jù)主機(jī)的命令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，主機(jī)在下一個8位時鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來。 SPI 總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進(jìn)行通信:一條時鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線OSI，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO;用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點(diǎn)有:可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù);可以當(dāng)作主機(jī)或從機(jī)工作;提供頻率可編程時鐘;發(fā)送結(jié)束 中斷標(biāo)志;寫沖突保護(hù);總線競爭保護(hù)等。下圖示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式 (實(shí)線表示):
SPI總線四種工作方式 SPI 模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)備時鐘相位和極性應(yīng)該一致。
SPI總線包括1根串行同步時鐘信號線以及2根數(shù)據(jù)線。
SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時鐘相位和極性應(yīng)該一致。
補(bǔ)充：
上文中最后一句話：SPI主模塊和與之通信的外設(shè)備時鐘相位和極性應(yīng)該一致。個人理解這句話有2層意思：其一，主設(shè)備SPI時鐘和極性的配置應(yīng)該由外設(shè)來決定；其二，二者的配置應(yīng)該保持一致，即主設(shè)備的SDO同從設(shè)備的SDO配置一致，主設(shè)備的SDI同從設(shè)備的SDI配置一致。因為主從設(shè)備是在SCLK的控制下，同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并通過2個雙向移位寄存器來交換數(shù)據(jù)。
上升沿主機(jī)SDO發(fā)送數(shù)據(jù)1，同時從設(shè)備SDO發(fā)送數(shù)據(jù)0；緊接著在SCLK的下降沿的時候從設(shè)備的SDI接收到了主機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)1，同時主機(jī)也接收到了從設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)0.
SPI協(xié)議心得
SPI接口時鐘配置心得：
在主設(shè)備這邊配置SPI接口時鐘的時候一定要弄清楚從設(shè)備的時鐘要求，因為主設(shè)備這邊的時鐘極性和相位都是以從設(shè)備為基準(zhǔn)的。因此在時鐘極性的配置上一定要搞清楚從設(shè)備是在時鐘的上升沿還是下降沿接收數(shù)據(jù)，是在時鐘的下降沿還是上升沿輸出數(shù)據(jù)。但要注意的是，由于主設(shè)備的SDO連接從設(shè)備的SDI，從設(shè)備的SDO連接主設(shè)備的SDI，從設(shè)備SDI接收的數(shù)據(jù)是主設(shè)備的SDO發(fā)送過來的，主設(shè)備SDI接收的數(shù)據(jù)是從設(shè)備SDO發(fā)送過來的，所以主設(shè)備這邊SPI時鐘極性的配置（即SDO的配置）跟從設(shè)備的SDI接收數(shù)據(jù)的極性是相反的，跟從設(shè)備SDO發(fā)送數(shù)據(jù)的極性是相同的。下面這段話是Sychip Wlan8100 Module Spec上說的，充分說明了時鐘極性是如何配置的：
The 81xx module will always input data bits at the rising edge of the clock, and the host will always output data bits on the falling edge of the clock.
意思是：主設(shè)備在時鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備在時鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)。因此主設(shè)備這邊SPI時鐘極性應(yīng)該配置為下降沿有效。
又如，下面這段話是摘自LCD Driver IC SSD1289：
SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.
意思是：從設(shè)備SSD1289在時鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)，而且是按照從高位到地位的順序接收數(shù)據(jù)的。因此主設(shè)備的SPI時鐘極性同樣應(yīng)該配置為下降沿有效。
時鐘極性和相位配置正確后，數(shù)據(jù)才能夠被準(zhǔn)確的發(fā)送和接收。因此應(yīng)該對照從設(shè)備的SPI接口時序或者Spec文檔說明來正確配置主設(shè)備的時鐘。
軟件過程改進(jìn)
SPI: Software Process Improvement. 軟件過程改進(jìn)。是軟件企業(yè)項目過程質(zhì)量的改進(jìn)，CMM，ISO9000－3說的就是這個。
UART
開放分類： 計算機(jī)、通信、信息
UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步接收/發(fā)送裝置，UART是一個并行輸入成為串行輸出的芯片，通常集成在主板上，多數(shù)是16550AFN芯片。因為計算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過UART整理才能進(jìn)行異步傳輸，其過程為：CPU先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時內(nèi)存塊）中，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊列）傳送到串行設(shè)備，若是沒有FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem。
它是用于控制計算機(jī)與串行設(shè)備的芯片。有一點(diǎn)要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計算機(jī)就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。將計算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗。在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標(biāo)記。處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號（鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備）�？梢蕴幚碛嬎銠C(jī)與外部串行設(shè)備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，現(xiàn)在比較新的UART是16550，它可以在計算機(jī)需要處理數(shù)據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲16字節(jié)數(shù)據(jù)，而通常的UART是8250。現(xiàn)在如果您購買一個內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常就會有16550 UART。
CAN 全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，由德國Bosch 公司最先提出，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)10Km 時CAN 仍可提供高達(dá)50Kbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN 具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)：
現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言， 基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：
CAN (Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應(yīng)用協(xié)議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
什么是CAN總線？
CAN意為Controller Area Network的縮寫，意為控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。是國際上流行的現(xiàn)場總線中的一種。是一種特別適合于組建互連的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。
2． CAN總線特點(diǎn)？
l CAN是到目前為止為數(shù)不多的有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線
l CAN通訊距離最大是10公里（設(shè)速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設(shè)通信距離為40米)。
Serial Perheral Interface，是一種全雙工同步串行接口標(biāo)準(zhǔn)，串行通信的雙方用四根線進(jìn)行通信，這四根連線分別是：片選信號，I/O時鐘，串行輸入，串行輸出，這種接口的特點(diǎn)是快速，高效，并且操作起來比I2C要簡單一些，接線也比較簡單，TLC2543提供SPI接口。