什么是单片机的通信接口

作为一名优秀的硬件工程师，相信在设计图纸和写程序的过程中，I2C和SPI芯片肯定是十分常见的，而且在许多项目这两者是比不可少的。那到底什么是IIC和SPI呢？今天小编就和大家分享一下。

对于许多初学者而言，包括小编在刚开始接触单片机的时候，经常听到同事说起I2C和SPI，但是一直不知道是什么意思。其实I2C和SPI和单片机的串口或者CAN一样都是一种通信接口，而且都是有标准的协议的，只是它们的时序不同，仅此而已。

在实际的使用过程中，用I2C的芯片最常见的是EEPROM芯片，比如AT24CXX系列。使用SPI通信的芯片一般外置FLASH芯片，蓝牙芯片，RFID等等。

I2C通信需要用到两个引脚：。SCL表示的是时钟引脚，SDA表示的是数据引脚。如下图所示。

(上面的图表示的是EEPROM芯片)

(上面的图表示的是时钟芯片)

SPI通信需要4个引脚：SPI_CS,SPI_SCK,SPI_MOSI,SPI_MISO。SPI通信芯片的引脚名称一般都是这种写法，例如SPI_MOSI表示的意思就是“主机输出从机输入”主机一般就是指我们的单片机，从机是指待操作的芯片。

SPI标准的通信过程是：先把片选SPI_CS引脚拉低，SPI_SCK引脚输出时钟，然后就可以在SPI_SMOSI引脚上输出数据，同时可以在MISO上获得数据了。

(下面这幅图是一个SPI FLASH的芯片，芯片引脚和标注的名称意思一致)

目前市场上常见的单片机中，大部分使用的都是带有I2C口和SPI口的，有的还有有可能还会有好几个I2C口和SPI口。比如现在比较流行的STM32，Freescale，NXP，PIC等单片机。但是有的单片机本身不带硬件I2C口和SPI口的，也可以通过模拟的方式通信。并且对于新手而言，学习一下用普通引脚模拟是十分有必要的，以为这样对他们的通信本质理解更深刻。

在实际的通信全程中，其实单片机就是要控制相应引脚的高低电平，或者检测输入引脚的高低电平的过程。IIC和SPI就是控制引脚的高低电平，本质上和点灯没什么区别，只是在时序上有标准的要求。

IIC中是用两条线来通信，一条时钟线（SCK），一条数据线（SDA）。时钟线用来产生一个脉冲，再说的直接一点，就是把引脚变高变低的信号，用延时函数来确定频率。如下图：这就是个时钟信号

比如我们规定，在SCK高电平时，读取SDA的电平，连续8个SCK读一个字节。数据的那一端，在检测到低电平的时候，就把要发送的数据按照位体现在数据引脚上面。例如一个数据：0x88，写成二进制以后就是1000 1000。我们来看一下传输这个数据的过程：从机检测时钟引脚，检测到一个下降沿（就是从高电平落到了低电平），就把要发送的数据的bit7体现在数据引脚上，例如1000 1000的bit7是1，就把数据引脚变高电平，主机在时钟引脚的高电平，检测这个数据引脚，把这个位记录下来，从机再次发现时钟引脚的下降沿后，再把数据的bit6体现在数据引脚上，由于1000 1000 的bit6是0，所以从机把数据引脚拉低，然后当时钟引脚为高电平的时候，主机检测数据引脚的高低电平，再把bit6记录下来,……以此8次，就可以把一个字节由从机传输到主机了。是不是很简单呢？

SCK的速率，是指数据传输的快慢，通过控制SCK电平之间的时间间隔就可以。

I2C通信，SPI通信，只不过是在我刚才讲的例子上面，又多了一些协议内容。具体的协议，你们随便找一个I2C和SPI通信接口的芯片看一下时序图就可以了。我们要做的，就是用单片机的引脚，把它的时序做出来。

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详解单片机的IO接口

MCS-51系列单片机有4组I/O接口：P0、P1、P2和P3。前面简单介绍了一下各个端口，要学好单片机技术，非常有必要详细了解这些端口的内部结构及工作原理。

P0端口

P0 端口有 P0.0～P0.7 共 8 个引脚，这些引脚除了可作 I/O 引脚外，在外接存储器时，还可作地址 / 数据总线引脚。 P0端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-6所示。

图2-6 P0端口内部电路结构

如果要将P0端口用作输出端口，单片机内部的CPU会发出一个“0”到与门的控制端。控制端的“0”一方面关闭与门(即与门的一端为“0”时，不管另一端输入何种信号，输出都为“0”)，使地址/数据总线送来的信号无法通过与门;另一方面控制电子开关，让电子开关与锁存器的Q端接通。

此时若给锁存器的写锁存器端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q和Q端输出，如D端输入“1”，则Q端输出“0”(Q端输出“1”)，该“0”经电子开关送到场效应管VT2的栅极，VT2截止，从P0端口输出“1”。

也就是说，当给P0端口内部的与门控制端送“0”，同时给写锁存器端送写脉冲信号时，单片机内部总线的信号就可以通过接口电路从P0端口输出。

(2)当P0端口用作输入端口时

当将P0端口用作输入端口时，P0端口的信号既送到三态门，又送到VT2的漏极。如果锁存器之前锁存的为“0”，即Q=0、Q=1，其中Q=1会使VT2导通，P0端口被钳在“0”电平上，“1 ”将无法送入P0端口。

解决的方法是：在将数据输入P0端口前，先通过内部总线向锁存器写“1”，即让Q=0，VT2截止，P0端口输入的“1”就可以送到三态门的输入端，此时再给三态门的读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过三态门送到内部总线。

也就是说，要将P0端口作为输入端口，先要将P0端口的锁存器写“1”，然后再给输入三态门送读控制信号，P0端口的数据就可以通过接口电路，送到单片机内部的总线上。

(3)当P0端口用作地址/数据总线引脚时

如果要将P0端口用作地址/数据总线引脚，先要给与门的控制端送“1”，于是与门打开，同时电子开关和非门输出端接通。当地址/数据总线为“1”时，“1”一方面通过与门送到VT1的栅极，VT1导通，另一方面送到非门，经反相变为“0”，再经电子开关送到VT2的栅极，VT2截止，VT1导通，VT2截止使P0端口输出为“1”;当地址/数据总线为“0”时，VT1导通，VT2也导通，P0端口输出为“0”。

也就是说，当给与门的控制端送“1”时，内部地址/数据总线上的信号就可以从P0端口输出，P0端口就可当作地址/数据总线引脚使用。

P1端口

P1 端口有 P1.0～P1.7 共 8 个引脚，这些引脚可作 I/O 引脚。 P1端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-7所示。

图2-7 P1端口内部电路结构

从图2-7中可以看出，P1端口的结构较P0端口简单很多，由于P1端口内部采用了一只场效应管，并且与电源之间接了一只上拉电阻，所以不需要在P1端口的外部接上拉电阻。

(1)当P1端口用作输出端口时

如果要将P1端口用作输出端口，应给锁存器的写锁存器CL端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q和Q端输出，如D端输入“1”，则Q端输出“0”(Q端输出“1”)，该“0”送到场效应管的栅极，场效应管截止，从P1端口输出“1”。

(2)当P1端口用作输入端口时

当将P1端口用作输入端口时，如果锁存器以前锁存的为“0”，即Q=0、Q=1，其中Q=1会使场效应管导通，P1端口被钳在“0”电平上，“1”将无法送入P1端口。所以与P0端口一样，在将数据输入P1端口前，先要通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=0，场效应管截止，P1端口输入的“ 1”就可以送到输入三态门的输入端，此时再给三态门的读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过输入三态门送到内部总线。

P2端口

P2端口有P2.0～P2.7共8个引脚，P2端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-8所示。

图2-8 P2端口内部电路结构

从图2-8中可以看出，P2端口的内部结构与P0端口很相似。P2 端口也可作 I/O 引脚，在外接存储器时，还可以作为地址总线引脚。

(1)当P2端口用作地址总线引脚时

如果要将P2端口用作地址总线引脚，单片机内部的CPU会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与内部地址总线接通，地址总线上的信号就可以在通过电子开关、非门和场效应管后从P2端口引脚输出。

(2)当P2端口用作I/O接口时

如果要将P2端口用作I/O接口，单片机内部的CPU会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与锁存器接通。

当将P2端口用作输出端口时，给锁存器的CL端送写脉冲信号，内部总线上的数据就被锁存进锁存器并从Q端输出，再通过电子开关、非门和场效应管从P2端口引脚输出。

当将P2端口用作输入端口时，如果锁存器以前锁存的为“0”，即Q=0，经非门反相后会使场效应管导通，P2端口被钳在“0”电平上，“1”将无法送入P2端口。所以与P0、P1端口一样，在将数据输入P2端口前，先通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=1，场效应管截止，P2端口输入的“1 ”就可以送到输入三态门的输入端，此时再给读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过三态门送到内部总线。

P3端口

P3 端口有 P3.0～P3.7 共 8 个引脚， P3 端口可作为 I/O 接口，还可以用于其他方面。P3端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-9所示。

图2-9 P3端口内部电路结构

(1)当P3端口用作I/O接口时

如果要将P3端口用作I/O接口，应让与非门的选择输出功能端为“1”，以开通与非门。

当将P3端口用作输出端口时，给锁存器的CL端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q端输出，再通过与非门和场效应管从P3端口引脚输出。

当将P3端口用作输入端口时，应先通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=1，场效应管截止，P3端口输入的信号就可以通过缓冲器、输入三态门送到内部总线。

(2)当P3端口用作第二功能时

P3端口用作第二功能(又称复用功能)时，实际上也是在该端口输入或输出信号，只不过输入、输出的是一些特殊功能的信号。所以当P3端口用作第二功能时，其内部电路的工作原理与用作I/O接口时是一样的，在用作输入功能时，端口的锁存器同样要先置“1”。

P3端口8个引脚的第二功能详见表2-1。例如P3.2引脚用作第二功能时，该端口可输入由外部设备送到的中断请求信号，该信号通过缓冲器、输入三态门送到内部总线。

P3端口除了可以接收外界的输入信号外，还可以接收内部的替代输入功能端送来的信号，该信号通过输入三态门送到内部总线。

总之，P0、P1、P2 和 P3 端口的功能是：都可以作输入或输出端口; P0、P2、P3 端口具有第二功能，各种端口的第二功能见表2-1。例如，表中说明P0端口的第二功能可以用作低8位地址总线/ 数据总线，P2端口可用作高8位地址总线，P3.0端口可用作串行数据接收端。

表2-1 MCS-51系列单片机各端口的第二功能

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