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很多学嵌入式的同学是不是经常被各种协议搞的晕头转向，都分不清是干嘛的？ 今天华妹就给大家好好捋捋嵌入式常用的5大协议，全是干货，话不多说，赶紧上车！ 01 UART总线通信协议 1. 原理 串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成， 通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。  2. 波特率 今天主要讲解的是串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率， 即每个码元的长度，以便对信号进行解码，上图中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。 3. 通讯的起始和停止信号 串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。 4. 有效数据 在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7、8位长。 5. 数据校验 在有效数据之后，有一个可选的数据校验位，由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。
02 IIC总线通信协议 1. IIC总线简介 I2C是Inter-Integrated Circuit的简称，读作：I-squared-C。由飞利浦公司于1980年代提出，为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边外部设备而发展。主要用途：SOC和周边外设间的通信（如：EEPROM，电容触摸芯片，各种Sensor等）。 2. 物理接口 I2C总线只使用两条双向漏极开路的信号线（串行数据线：SDA，及串行时钟线：SCL），并利用电阻上拉。
I2C总线广泛应用在EEPROM、实时时钟、LCD及其他芯片的接口。 I2C允许相当大的工作电压范围，典型的电压基准为：+3.3V或+5V。 常见的I2C总线以传输速率的不同分为不同的模式：标准模式（100Kbit/s）、低速模式（10Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）、高速模式（3.4Mbit/s）， 时钟频率可以被下降到零，即暂停通信。该总线是一种多主控总线，即可以在总线上放置多个主设备节点，在停止位（P）发出后，即通讯结束后，主设备节点可以成为从设备节点。 主设备节点：产生时钟并发起通信的设备节点。 从设备节点：接收时钟并响应主设备节点寻址的设备节点。  (1) I2C通信双方地位不对等，通信由主设备发起，并主导传输过程，从设备按I2C协议接收主设备发送的数据，并及时给出响应。 (2) 主设备、从设备由通信双方决定（I2C协议本身无规定），既能当主设备，也能当从设备（需要软件进行配置）。 (3) 主设备负责调度总线，决定某一时刻和哪个从设备通信。同一时刻，I2C总线上只能有一对主设备、从设备通信。 (4) 每个I2C从设备在I2C总线通讯中有一个I2C从设备地址，该地址唯一，是从设备的固有属性，通信中主设备通过从设备地址来找到从设备。 3. 总线状态 空闲态：没有设备发生通信。 忙态：其中一个从设备和主设备通信，I2C总线被占用，其他从设备处于等待状态。 4. 通信协议 时序：在通信中时序是通信线上按时间顺序发生的电平变化，及这些电平变化对通信的意义。 每个通信周期都由一个起始位开始通信，由一个结束位结束通信，中间部分是传递的数据。 4.1 起始位和停止位 I2C总线通讯由起始位开始通讯，结束位停止通讯，并释放I2C总线。起始位和结束位都由主设备发出。 起始位（S）：在SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平。 结束位（P）：在SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平。  4.2 数据格式与应答 I2C数据以字节（即8bits）为单位传输，每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。 应答（ACK）：拉低SDA线，并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平。 非应答（NOACK）：不要拉低SDA线（此时SDA线为高电平），并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平。 在传输期间，如果从设备来不及处理主设备发送的数据，从设备会保持SCL线为低电平，强迫主设备等待从设备释放SCL线，直到从设备处理完后，释放SCL线，接着进行数据传输。  5. 数据传输通讯 5.1 写数据 开始数据传输后，先发送一个起始位（S），主设备发送一个地址数据， 然后主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK）。每一个字节数据的传输都要跟一个应答信号位。数据传输以停止位（P）结束，并且释放I2C总线。  5.2 读数据 开始通讯时，主设备先发送一个起始信号（S），主设备发送一个地址数据， 然后主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK）。从设备应答主设备后，主设备再发送要读取的寄存器地址，从设备应答主设备（ACK）。主设备再次发送起始信号（Sr），主设备发送设备地址（包含读标志），从设备应答主设备，并将该寄存器的值发送给主设备。  03 SPI总线通讯协议 1. 什么是SPI SPI接口是Motorola首先提出的全双工同步串行总线，采用主从模式（Master Slave）架构，支持多slave模式应用。 在实际开发过程中，大多数采用单Master。多slave模式时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后；也可以低位在前，高位在后。 SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。 2. SPI总线硬件连接 SPI四根信号线
M:master O:output S:slave I:input (1) MOSI：主器件数据输出(写)，从器件数据输入(读) (2) MISO：主器件数据输入，从器件数据输出 (3) SCLK ：时钟信号，由主器件产生 (4) /SS：从器件使能信号，由主器件控制（片选线）  3. SPI优点 支持全双工通信、通信简单、数据传输速率快。 4. SPI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，所以跟IIC总线协议比较在数据，可靠性上有一定的缺陷。 5. 协议通信时序详解 
6. SPI总线通信模式    04 RS232总线描述 1. 概述 RS-232接口符合电子工业联盟（EIA）建立的串行数据通信接口标准。原始编号是EIA-RS-232（简称232，RS232），它广泛用于计算机串行接口外设连接。连接电缆以及机械、电气、信号和传输过程。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。 2. 特性 RS-232是现在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： (1) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3—-15V；逻辑“0”：+3—+15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”，TTL电平为5V为逻辑正，0为逻辑负。与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 (2) 传输速率较低，在异步传输时，比特率为20Kbps；因此在51CPLD开发板中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。 (3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 (4) 传输距离有限。最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。 05 RS485概述 1. 场景 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线，RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。 2. RS485特点 RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。针对RS-232-C的不足，新标准RS-485具有以下特点： (1) RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差+2V~+6V表示，逻辑“0”以两线间的电压差-6V~-2V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不容易损坏接口电路芯片，且该电平与TTL电平兼容，刻方便与TTL电路连接。 (2) 数据最高传输速率为：10Mbps。 (3) RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，即抗噪声性能好。 (4) RS-485接口的最大传输距离标准值4000英尺，实际上可达3000米。 (5) RS-232-C接口在总线上只允许连接一个收发器，即单站能力；而RS-485接口在总线上只允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立设备网络。 06 IIC总线和SPI总线对比 1. 相同点 均采用串行同步总线、都采用TTL电平、主从模式架构。 2. 不同点
07 RS232和RS484总线对比 工作模式：RS232 为全双工，RS485 为半双工。 传输方式：RS485和RS232只是物理协议的通信（即接口标准），RS485是差分传输方式，RS232是单端传输方式，但通信程序没有太大区别 信号线：RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线 抗干扰性：RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。RS232接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰 传输距离：RS485接口的最大传输距离标准值为1200米(9600bps时)，实际上可达3000米。RS232传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，实际上也只能用在15米左右。 通信能力：RS485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，用户可以利用单一的 RS485 接口方便地建立起设备网络。RS232只允许一对一通信 传输速率：RS232传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。RS485的数据最高传输速率为10Mbps。 电气电平值：RS485的逻辑'1'以两线间的电压差为+(2-6)V 表示；逻辑'0'以两线间的电压差为-(2-6)V表示。在 RS232中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系，即：逻辑'1'，-(5-15)V；逻辑'0 ' +(5- 15)V 。 |
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