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2019年09月03日 | I2C SPI UART串行接口对比分析
2019-09-03 来源：eefocus
0 SPI
SPI：串行外转接口，允许以全双工方式实现数据与各种外围设备高速数据传输。由3根线组成，（串行时钟）SCLK、（串行数据输出）SDO和（串行数据输入）SDI组成，当然对于多个从设备而言，会添加一根SS片选信号。SDO和SDI都是基于时钟脉冲SCLK完成数据，且是一比特比特传输。而且SCLK只能由主设备控制。
特点包括如下几点
l 采用主从方式，且由主设备控制SCLK。
l 全双工的同步方式传输数据，全双工就是指主设备发送数据时也会接收到从设备的数据。而之所以称为同步是因为传输数据必须严格根据时钟，以及时钟极性和时钟相位（CPHA）控制两个SPI设备间何时交换数据。
l 数据交换方式，之所以称为数据交换是因为在发送完一比特数据后也会接收到一比特数据。所以SPI没有读写区分，因为发送完一比特就会接收到一比特。
l 接收方式：只要发生了数据传输完成事件，都要去SPI设备相应的寄存器中读取数据，即使数据没有意义。
重点介绍下SPI的工作模式。虽然是依靠SCLK完成传输，但是由于时钟极性和时钟相位的不同衍生出了四种工作模式，传输时序。
CPOL: 时钟极性, 表示 SPI 在空闲时, 时钟信号是高电平还是低电平. 若 CPOL 被设为 1, 那么该设备在空闲时 SCK 管脚下的时钟信号为高电平。当 CPOL 被设为 0 时则正好相反。
CPHA: 时钟相位, 表示 SPI 设备是在 SCK 管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样, 还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样。若 CPHA 被设置为 1, 则 SPI 设备在时钟信号变为下降沿时触发数据采样, 在上升沿时发送数据。当 CPHA 被设为 0 时也正好相反。
写多个寄存器
读多个寄存器
具体以AT24C02为例，讲解其传输逻辑，如下图所示。
2 UART
通用异步传输协议，收发器。较为简单，由两线组成，TxD和RxD，设备交叉连接。由起始们、奇偶校验位、数据位、停止位组成。同时如果使用了RTS、CTS等流控信号线则更为复杂，有待补充。
它使用的电平标准是TTL/CMOS逻辑电平标准，（0~5v、0~3.3v、0~2.5v或0~1.8v）来表示数据，高电平表示1，低电平表示0。为了增强数据的抗干扰能力、提高传输长度，通常将TTL/CMOD逻辑电平转换为RS-232逻辑电平，3~12v表示0，-3~-12v表示1。这也就是UART和RS232的区别和联系。数据传输流程如下：
（1）平时数据线处于空闲状态（1状态）
（2）当要发送数据时，UART改变TxD数据线的状态（变为0状态）并维持1位的时间，这样接收方检测到开始位后，在等待1.5位的时间就开始一位一位地检测数据线的状态得到所传输的数据。
（3）UART一帧中可以有5、6、7或8位的数据，发送方一位一位地改变数据线的状态将他们发送出去，首先发送最低位。
（4）如果使用校验功能，UART在发送完数据后，还要发送1位校验位。有两种校验方法：奇校验、偶校验——数据位连同校验位中，1的数据等于奇数或偶数。
（5）最后，发送停止位，数据线恢复到空闲状态（1状态）。停止位的长度有3种：1位、1.5位、2位。
3 对比
如下表所示。
SPI | I2C | UART | |
电气信号线 | 4线：SS、SCLK、SDO和SDI | 2线：SCL、SDA | 2线：TXD、RXD |
工作模式 | 全双工 | 半双工 | 全双工 |
组网 | 规模有限 | 支持128个设备组成的网络（地址是7位） | |
寻址模式 | 通过片选信号 | 发送具体地址 | |
传输速率2 | 几Mbps但是比I2C快 | 标准速度：100kbps 快速模式：400kbps 高速模式：3.4Mbps | RS232：<20kbps RS422：最高10Mbps RS485：最高10Mbps |
注：关于传输速率，其实SPI应该根据Master芯片能发起的频率以及Slave能接受的频率，但是肯定的是它一般大于I2C传输频率。对于其它总线传输频率，如下。
l USB总线
USB1.1：
-------低速模式(low speed)：1.5Mbps
-------全速模式(full speed)： 12Mbps
USB2.0：向下兼容。增加了高速模式，最大速率480Mbps。
-------高速模式(high speed)： 25~480Mbps
USB3.0：向下兼容。
-------super speed ：理论上最高达4.8Gbps，实际中，也就是highspeed 的10倍左右。
l Ethernet，也就是通常的网速。
--------早期的以太网传输速率只有10Mbps。
--------百兆网：理论上最大100Mbps。
--------千兆网：理论上最大1Gbps。
l SD总线：最高能达10Mbps。
l SATA接口：
--------SATA1.0：理论传输速度是150MB/s（或者1.5Gb/s），实际也就30MBps。
--------SATA2.0： 300MBps，即3Gbps。实际也就80MBps。
--------SATA3.0： 600MBps，即6Gbps。
--------eSATA：理论传输速度可达到1.5Gbps或3Gbps。
l PCI总线
--------PCI：32位，33MHz时钟频率，速率是33*4 = 133MBps，即1Gbps。
-------- PCI 2.1：64位，66MHz时钟频率来说：速率是66*8 = 528MBps，即4Gbps。
史海拾趣
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