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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单片机常用的几种通信接口，I2C、SPI、UART等

在嵌入式系统中，板上通信接口是指用于将各种集成电路与其他外围设备交互连接的通信通路或总线。以下内容为常用板上通信接口：包括I2C、SPI、UART、1-Wire：

I2C总线

I2C总线是一种同步、双向、半双工的两线式串行接口总线。这里，半双工的含义是指在任意给定的时刻，只有一个方向上是可以通信的。I2C总线最早由Philips半导体公司于20世纪80年代研发面市。I2C最初的设计目标是为微处理器/微控制器系统与电视机外围芯片之间的连接提供简单的方法。I2C总线由两条总线组成：串行时钟线SCL和串行数据线SDA。SCL线——负责产生同步时钟脉冲。SDA线——负责在设备间传输串行数据。I2C总线是共享的总线系统，因此可以将多个I2C设备连接到该系统上。连接到I2C总线上的设备既可以用作主设备，也可以用作从设备。主设备负责控制通信，通过对数据传输进行初始化/终止化，来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。从设备则是等待来自主设备的命令，并响应命令接收。主设备和从设备都可以作为发送设备或接收设备。无论主设备是作为发送设备还是接收设备，同步时钟信号都只能由主设备产生。在相同的总线上，I2C支持多个主设备的同时存在。图1-1显示了I2C总线上主设备和从设备的连接关系。当总线空闲时，SDA 和SCL 都处于高电平状态，当主机要和某个从机通讯时，会先发送一个开始条件，然后发送从机地址和读写控制位，接下来传输数据（主机发送或者接收数据），数据传输结束时主机会发送停止条件。传输的每个字节为8 位，高位在前，低位在后。

一般从机地址有7 位地址模式和10 位地址模式两种，如果是10 位地址模式，第一个字节的头7 位是11110XX 的组合，其中最后两位（XX）是10 位地址的两个最高位，第二个字节为10 位从机地址的剩下8 位，如下图所示：

SPI总线

SPI总线是同步、双向、全双工的4线式串行接口总线，最早由Motorola公司提出。SPI是由“单个主设备+多个从设备”构成的系统。需要说明的是：在系统中，只要任意时刻只有一个主设备是处于激活状态的，就可以存在多个SPI主设备。常运用于EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间实现通信。为了实现通信，SPI共有4条信号线，分别是：（1）主设备出、从设备入（Master Out Slave In，MOSI）：由主设备向从设备传输数据的信号线，也称为从设备输入（Slave Input/Slave Data In，SI/SDI）。（2）主设备入、从设备出（Master In Slave Out，MISO）：由从设备向主设备传输数据的信号线，也称为从设备输出（Slave Output/Slave Data Out，SO/SDO）。（3）串行时钟（Serial Clock，SCLK）：传输时钟信号的信号线。（4）从设备选择（Slave Select，SS）：用于选择从设备的信号线，低电平有效。SPI使用方法：上图所示芯片有2 个SPI 控制器，SPI 控制器对应SPI 主设备，每个SPI 控制器可以连接多个SPI从设备。挂载在同一个SPI 控制器上的从设备共享3 个信号引脚：SCK、MISO、MOSI，但每个从设备的CS 引脚是独立的.主设备通过控制CS 引脚对从设备进行片选，一般为低电平有效。任何时刻，一个SPI 主设备上只有一个CS 引脚处于有效状态，与该有效CS 引脚连接的从设备此时可以与主设备通信。所以，SPI通信方式可以使用“一主多从”的结构进行通信。每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，主设备启动数据传输并产生时钟信号，从设备被主设备寻址，同一时刻只允许有一个主设备。从设备的时钟由主设备通过SCLK 提供，MOSI、MISO 则基于此脉冲完成数据传输。SPI 的工作时序模式由CPOL（Clock Polarity，时钟极性）和CPHA（Clock Phase，时钟相位）之间的相位关系决定，CPOL 表示时钟信号的初始电平的状态，CPOL 为0 表示时钟信号初始状态为低电平，为1 表示时钟信号的初始电平是高电平。CPHA 表示在哪个时钟沿采样数据，CPHA 为0 表示在首个时钟变化沿采样数据，而CPHA 为1 则表示在第二个时钟变化沿采样数据。根据CPOL 和CPHA 的不同组合共有4 种工作时序模式：CPOL=0，CPHA=0、CPOL=0，CPHA=1、CPOL=1，CPHA=0、CPOL=1，CPHA=1

UART

UART——通用异步收发传输器，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。在应用程序开发过程中使用频率较高的数据总线。基于UART的数据传输是异步形式的串行数据传输。基于UART的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输的发送端和接收端，而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置。对于发送设备和接收设备来说，两者的串行通信配置（波特率、单位字的位数、奇偶校验、起始位数与结束位、流量控制）应该设置为完全相同。通过在数据流中插入特定的比特序列，可以指示通信的开始与结束。当发送一个字节数据的时候，需要在比特流的开头加上起始位，并在比特流的末尾加上结束位。数据字节的最低位紧接在起始位之后。UART 串口的特点是将数据一位一位地顺序传送，只要2 根传输线就可以实现双向通信，一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。UART 串口通信有几个重要的参数，分别是波特率、起始位、数据位、停止位和奇偶检验位，对于两个使用UART 串口通信的端口，这些参数必须匹配，否则通

1-Wire接口

1-Wire接口是由Maxim Dallas半导体公司（首页为http://www.maxim-ic.com）开发的异步半双工通信协议，也称为Dallas 1-Wire®协议。其中，按照主-从通信模型，只使用单条信号线DQ实现通信。1-Wire总线的一个重要特征在于，该总线允许在信号线上传输能量。1-Wire接口支持在总线上连接单个主设备以及一个或多个从设备。

并行接口

板上并行接口（parallel interface）通常用于系统与外围设备之间的通信，其中，外围设备通过存储器映射到系统的主控端。只要嵌入式系统的主控处理器/控制器含有并行总线，支持并行总线的设备就可以直接连接到该总线系统上。外围设备与主控端之间具有控制信号接口，可以控制并行总线上的数据通信。这里，通信的控制信号包括读/写信号和设备选择信号。一般说来，外围设备具有设备选择线；只有当主控处理器选通该线的时候，该设备才是有效的。数据传输的方向可以是从主控端到外围设备，也可以是从外围设备到主控端；这是通过读和写控制信号线进行控制的。只有主控处理器能够控制读控制信号和写控制信号。一般说来，外围设备通过存储器映射到主控处理器，从而可以访问分配的地址范围。此时，设备需要使用地址译码电路来产生芯片选择信号。当处理器选择的地址位于设备指定范围内的时候，译码电路对芯片选择线进行触发，从而激活设备。然后，处理器可以使能相应的控制线（分别是RD\与WD\），从而由设备读出数据，或者是向设备写入数据。为了实现并行通信，系统需要严格遵循时序规范。前面已经提到过，并行通信是由主控处理器启动的。如果某外围设备想要对通信进行初始化，那么可以向处理器发出中断，告知相关信息。为了实现上述功能，设备的中断线需要连接到处理器的中断线上，并且主控处理器需要触发相应的中断。需要说明的是，主控处理器的数据总线宽度决定了并行接口的宽度，可以是4位、8位、16位、32位、64位等。设备支持的总线宽度应该与主控处理器完全相同。

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