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STM32三大通信协议详解——UART、I2C、SPI

前言

在嵌入式开发中，通信协议是连接单片机与外部设备的桥梁。UART、I2C、SPI是最常用的三大串行通信协议，它们各有特点，适用于不同的场景。本文将带你深入理解这三种通信协议的工作原理、通信时序和关键参数，帮你彻底搞懂它们的区别与使用场景。

一、UART串口通信

1.1 什么是UART

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种异步串行通信协议。它只需要两根数据线（TX发送、RX接收）就能实现全双工通信，是嵌入式开发中最常用的调试和通信方式。

• 异步通信：没有时钟线，收发双方通过约定的波特率来同步数据
• 全双工：可以同时发送和接收数据
• 两根线：TX（发送）、RX（接收），交叉连接

1.2 数据帧格式

UART的数据帧通常由以下几部分组成：

💡空闲状态：串口不传输数据时，总线长期保持高电平（1）。当要发送数据时，先拉低电平（起始位），通知接收方准备接收。

1.3 低位先发（LSB First）

UART传输数据时有一个重要特点：低位先发（LSB First，Least Significant Bit first）。

举个例子：要发送十进制数100，对应的二进制是1100100，高位补0凑8位就是01100100。

但在UART的波形上，数据是从低位到高位依次发送的：

• 第1位（最左边）：0（最低位）
• 第2位：0
• 第3位：1
• 第4位：0
• 第5位：0
• 第6位：1
• 第7位：1
• 第8位（最右边）：0（最高位）

也就是波形上从左到右看到的是：0 0 1 0 0 1 1 0，正好和我们平时写的二进制顺序相反。

⚠️注意：很多初学者容易搞反数据位的顺序。记住：UART是低位先发，波形最左边的是数据最低位，最右边的是最高位。

1.4 波特率

波特率（Baud Rate）表示每秒传输的二进制位数，单位是bps（bits per second）。

常用波特率：9600、19200、38400、57600、115200等。

收发双方必须设置相同的波特率，否则无法正确解析数据。

二、I2C总线

2.1 什么是I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）是由飞利浦公司开发的一种同步串行通信协议。它只需要两根线就能实现多设备通信，非常适合板内芯片间的短距离通信。

• 同步通信：有时钟线（SCL）同步数据
• 半双工：同一时间只能发送或接收
• 两根线：SCL（时钟线）、SDA（数据线）
• 多设备：一条总线上可以挂多个从设备，通过地址区分
• 上拉电阻：SCL和SDA都需要上拉电阻，空闲时为高电平

2.2 物理层

💡空闲状态：由于上拉电阻的存在，总线空闲时SCL和SDA都处于高电平状态。

2.3 通信过程详解

I2C的一次完整通信分为四个阶段：起始位 → 寻址 → 数据传输 → 停止位

第一阶段：起始位（Start）

在数据传输之前，总线上处于空闲状态（SCL和SDA都是高电平）。

起始位的产生方式：当SCL为高电平时，SDA产生一个下降沿（从高变低）。

起始位是主机发起的，标志着一次通信的开始。

第二阶段：寻址（Addressing）

起始位之后，主机发送从机的地址，用来选择要和哪个从机通信。

• I2C标准模式使用7位地址（还有10位地址模式）
• 地址后面跟着1位读写位（0表示写，1表示读）
• 从机收到自己的地址后，会回复一个ACK应答

❓寻址阶段NAK的原因：

• 地址填错，要寻址的从机不存在
• 要寻址的从机正忙，来不及回复ACK
• 从机故障

第三阶段：数据传输（Data Transfer）

寻址成功后，就开始传输数据了：

• 每个数据字节也是8位
• 高位先发（MSB First），和UART相反
• 每传输完一个字节，接收方回复一个ACK应答位
• 可以连续传输多个字节

数据有效性规则：SCL为高电平时，SDA上的数据必须保持稳定；SCL为低电平时，SDA才能变化。

第四阶段：停止位（Stop）

数据传输完成后，主机发送停止位，结束本次通信。

停止位的产生方式：当SCL为高电平时，SDA产生一个上升沿（从低变高）。

停止位之后，总线回到空闲状态。

2.4 ACK与NAK

ACK（Acknowledge）应答位是I2C的重要机制，用于确认数据是否成功接收。

• ACK（应答）：接收方在第9个时钟周期将SDA拉低，表示成功接收
• NAK（不应答）：接收方在第9个时钟周期保持SDA为高，表示接收失败或拒绝接收

2.5 I2C的多种模式

三、SPI总线

3.1 什么是SPI

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由摩托罗拉公司开发的一种同步串行通信协议。它以高速、全双工著称，是三种协议中速度最快的，适合高速数据传输场景。

• 同步通信：有时钟线（SCK）同步数据
• 全双工：可以同时发送和接收数据
• 四根线：MOSI、MISO、SCK、NSS
• 高速：速度可达几十MHz甚至更高

3.2 四根信号线

💡多从机连接：SPI的每个从机都需要一根独立的NSS线。主机要和哪个从机通信，就把对应的NSS拉低。从机数量多的时候，会占用较多的IO口。

3.3 波特率

SPI的时钟频率由主机决定，通常是系统时钟的分频。

波特率选取原则：

• 在允许的范围内，选择最大值（越快越好）
• 考虑从设备所能承受的极限频率
• 考虑电路板布线所能承受的极限（高速信号完整性）

3.4 比特位传输顺序

SPI支持两种传输顺序：

• MSB First：高位先发（Most Significant Bit first），最常用
• LSB First：低位先发（Least Significant Bit first）

收发双方必须设置相同的传输顺序。

3.5 数据位长度

SPI的数据位长度可以配置：

• 8位：最常用，每次传输1个字节
• 16位：每次传输2个字节，适合16位数据的场景

3.6 时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）

SPI有四个工作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）组合决定。这是SPI最容易搞混的地方。

时钟极性 CPOL（Clock Polarity）

决定了时钟线在空闲时的电平状态：

• CPOL = 0：空闲时SCK为低电平
• CPOL = 1：空闲时SCK为高电平

时钟相位 CPHA（Clock Phase）

决定了数据在第几个时钟沿被采样：

• CPHA = 0：在第一个时钟沿采样（奇数边沿）
• CPHA = 1：在第二个时钟沿采样（偶数边沿）

四种SPI模式

⚠️重要：主机和从机必须配置为相同的SPI模式（CPOL和CPHA都一致），否则无法正确通信。

四、三大通信协议对比

五、总结

• UART：最简单、最通用的异步通信，适合调试和低速设备通信，缺点是速度慢、只能点对点
• I2C：两根线实现多设备通信，布线简单，适合板内芯片间通信，缺点是速度较慢、半双工
• SPI：速度最快、全双工，适合高速数据传输，缺点是信号线多、多从机时占用IO多

实际项目中，根据设备的接口、速度要求、布线资源等因素选择合适的通信协议。理解了它们的底层原理和时序，就能快速上手任何一种通信接口的开发。