一、SPI
SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)是Motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准,在很多器件中被广泛应用。

  1. 接口
    SPI接口经常被称为4线串行总线,以主/从方式工作,数据传输过程由主机初始化。如图1所示,其使用的4条信号线分别为:
    1) SCLK:串行时钟,用来同步数据传输,由主机输出;
    2) MOSI:主机输出从机输入数据线,通常先传输MSB;
    3) MISO:主机输入从机输出数据线,通常先传输LSB;
    4) SS:片选线,低电平有效,由主机输出。
    在SPI总线上,某一时刻可以出现多个从机,但只能存在一个主机,主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性,使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。
    SPI、I2C和UART
  2. 数据传输
    在一个SPI时钟周期内,会完成如下操作:
    1) 主机通过MOSI线发送1位数据,从机通过该线读取这1位数据;
    2) 从机通过MISO线发送1位数据,主机通过该线读取这1位数据。
    这是通过移位寄存器来实现的。如图2所示,主机和从机各有一个移位寄存器,且二者连接成环。随着时钟脉冲,数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器,并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时,相当于完成了两个寄存器内容的交换。
    SPI、I2C和UART
  3. 时钟极性和时钟相位
    在SPI操作中,最重要的两项设置就是时钟极性(CPOL或UCCKPL)和时钟相位(CPHA或UCCKPH)。时钟极性设置时钟空闲时的电平,时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。
    主机和从机的发送数据是同时完成的,两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信,应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。
    举例来说,分别选取MSP430控制器和OLED驱动SH1101A为主从机,图3和图4为它们的SPI时序。由图4可知,SH1101A的SPI时钟空闲时为高电平,并且在后时钟沿接收数据,则MSP430控制器SPI的设置应与此保持一致。从图3中可以看出,要使得时钟在空闲时为高电平,应将UCCKPL置1;要使得在后时钟沿接收数据,应将UCCKPH清零。
    SPI、I2C和UART
    SPI、I2C和UART
  4. 优缺点
    SPI接口具有如下优点:
    1) 支持全双工操作;
    2) 操作简单;
    3) 数据传输速率较高。
    同时,它也具有如下缺点:
    1) 需要占用主机较多的口线(每个从机都需要一根片选线);
    2) 只支持单个主机。

二、I2C

  1. 接口
    SPI、I2C和UART
    I2C接口包括时钟线(SCL)和数据线(SDA)。这两条线都是漏极开路或者集电极开路结构,使用时需要外加上拉电阻,可以挂载多个设备。每个设备都有自己的地址,主机通过不同地址来选中不同的设备。
  2. 一般操作
    1)主机给从机发数据
    • 发送开始条件START和从机地址;
    • 发送数据;
    • 发送停止条件STOP结束。
      2)主机从从机读取数据
    • 发送开始条件START和从机地址;
    • 发送要读取的地址;
    • 读取数据;
    • 发送停止条件STOP结束。
      2.1开始和结束条件
      当SCL保持高电平期间,SDA从高电平跳变到低电平,即为开始条件START。当SCL保持高电平期间,SDA从低电平跳变到高电平,即为结束条件STOP。
      SPI、I2C和UART
      2.2 重复的起始条件
      与起始条件的区别是,它出现在结束条件STOP之前。例如读取数据时,发送START、从机地址、要读取的地址后,不需要发送STOP,而可以发送重复起始条件和从机地址,开始数据读取。
      2.3 ACK和NACK
      数据传输时先传MSB。接收者在每个字节后的第9个时钟周期将SDA保持低电平进行确认数据接收成功;而在第9个时钟周期将SDA保持高电平表示数据传输出错,或者主机不再想接收数据。
      SPI、I2C和UART
      SPI、I2C和UART
      1. 数据读写
        1)写数据
        SPI、I2C和UART
        2)读数据
        SPI、I2C和UART
      2. 优缺点
        1)优点
        只使用两条信号线;
        支持多主机多从机;
        有应答机制。
        2)缺点
        速率比SPI慢。

三、UART
UART是一种异步传输接口,不需要时钟线,通过起始位和停止位及波特率进行数据识别。

  1. 接口
    UART仅使用两条线TXD和RXD用于数据的发和收。
    SPI、I2C和UART
  2. 数据格式
    1)起始位
    数据线空闲状态为高电平,要发送数据时将其拉低一个时钟周期表示起始位。
    2)数据位
    使用校验位时,数据位可以有5~8位;如果不使用校验位,数据位可以达9位。
    3)校验位
    奇偶校验,保证包括校验位和数据位在内的所有位中1的个数为偶数。
    4)停止位
    为了表示数据包的结束,发送端需要将信号线从低电平变为高电平,并至少保持2个时钟周期。
  3. 优缺点
    1)优点
    只使用两条信号线;
    不需要时钟信号;
    有校验位进行错误检测;
    2)缺点
    传输速率比较低。