代码收藏家技术教程 2023-09-10

UART、IIC和SPI串行通信协议的比较与分析

常见串行通信有三个，即UART （Universal Asynchronous Receiver/Trasmitter，异步串行收发器），IIC，SPI。下面将分别介绍三种串行通信的过程。

一、UART、IIC、SPI通信过程

1、UART通信过程

UART是一种异步全双工串行通信协议。UART通信就是常说的串口通信。其数据传输方式为：

1.串口通信的信号线只需要两条线就可以完成，即发送端TX和接收端RX。

2.起始位，数据线从高变低，低有效为0，数据传输开始。

3.数据位，起始位传输之后便是数据位开始，一般为8位，传输时低位（LSB）在前,高位（MSB）在后。

4.校验位，校验位可以认为是一个特殊的数据位，通常使用的是奇偶校验，使用串口协议时通常取消奇偶校验位。

5.停止位，停止位高有效为1，他表示这一个个字节传输结束。

6.位时间，起始位、数据位、校验位的位宽度是一致的，停止位有0.5位、1位、1.5位格式，一般为1位。

7.空闲位，持续的高电平。

8.帧：从起始位开始到停止位结束的时间间隔称之为一帧。

2、IIC通信过程

IIC是一种同步半双工串行通信协议。其数据传输方式为：

IIC有两根双向信号线，一根数据线SDA用于收发数据，一根时钟线SCL用于通信双方时钟同步。

SCL为高电平时，SDA由高变低表示起始信号，代表开始传输数据。

SCL为高电平时，SDA由低变高表示停止信号，代表数据传输结束。

IIC通信时每个字节位宽为8位，数据先传送最高位，后传送最低位，发送器发送完一个字节数据后接收器必须发送1位应答信号来回应发送器，即1帧共9位。

同步信号，时钟线SCL为低电平期间，发送器向数据线上发送一位数据，期间数据线上的信号允许发生变化，时钟线SCL为高电平期间，接收器从数据线上读取一位数据，期间数据线上的信号不允许发生变化，需保持稳定。

时钟信号SCL每调整一次，发送1位数据，一个字节的发送要经历9个时钟。

IIC通信采用TTL电平标准。

IIC宏观通信过程：

主机发送起始信号启用总线（告知从机开始通信）

主机发送一个字节数据指明从机地址（高7位）和后续字节的传送方向（最低位）

被寻址的从机发送应答信号回应主机

发送器发送一个字节数据

接收器发送应答信号回应发送器

···循环步骤4，5

N、通信完成后主机发送停止信号释放总线

3、SPI通信过程

SPI是一种同步全双工串行通信协议，其数据传输方式为：

SPI有三根信号线，一根信号线MOSI用于主机向从机发送数据，一根信号线MISO用于从机向主机发送数据，时钟线SPICLK用于通信双方时间同步。

一个字节传送完成后无需像IIC一样发送应答位即可开始下一个字节的发送。

时钟线在上升沿或下降沿时发送器向数据线上发送数据，在紧接着的下降沿或者上升沿时接收器从数据线上读取数据，完成一位数据传送，八个时钟周期即可完成一个字节数据的传送。

根据时钟的不同相位（CPOL）和极性（CPHL），SPI总线具有四种工作模式。对于从机，出厂时其工作模式已确定，使用主机和从机通信时需要保证主机工作模式和从机一致。

SPI通信采用TTL电平标准

4、三种通信方式的简要对比：

类别	UART	IIC	SPI
时钟	异步	同步	同步
传输方向	全双工	半双工	全双工
信号线数	2	2	3
电平标准	TTL/RS232/RS422/RS485	TTL	TTL
应答信号	无	有	无
单字节所需时钟	由波特率决定	9	8
最大区别	UART每传输一个字节，数据线有一段持续的高电平，IIC数据传输时，时钟为持续的高电平，根据应答信号决定结束时间，SPI在每个时钟上升沿传输发送数据，下降沿接收数据

二、UART与RS232/RS422/RS485等的关系

1、RS232/RS422/RS485物理接口标准

RS232/RS422/RS485是三个常用的串行通信接口标准，什么是串行通信接口标准呢？是指用来进行串行通信的物理接口标准，它只表征了电气特性，而不涉及到接插件、电缆、协议等。电气特性规定了逻辑电平如何确定，数字电路以电信号0和1进行设计，逻辑家族中有不同的集成电路器件，在实际工作中，这些器件需要一个特定的电压电流标准去判定它的电信号是0还是1，将这个标准称为逻辑电平。

2、串口UART与RS232/RS422/RS485等的区别

需要说明一下，很多人经常把RS-232、RS-422、RS-485 误称为通讯协议，这是很不应该的，其实它们仅是关于UART通讯的一个机械和电气接口标准，顶多是网络协议中的物理层面。

UART是通用异步收发传输器，既然是“器”，显然，它就是个设备而已，要完成一个特定功能的硬件。它最基本的功能是串并数据转换。

另外UART还要控制数据的格式（波特率、起始位、数据位、校验位、停止位等内容），这表示它也是异步串行通信的一种方式，它本身不是协议，但具有协议的特征，然而比RS232协议更具一般性。

因此可以说，UART同时具有硬件和协议的范畴。

3、串口UART为什么不使用TTL电平标准而使用RS232/RS422/RS485等电平标准

UART存在以下两个问题使得UART通信放弃TTL电平标准，首先TTL的高电平一般为处理器使用的电平，因此对于不同设备无法直接进行UART通信，例如51认为5V为高电平，0V为低电平；STM32认为3.3V为高电平，0V为低电平。因此对于不同的设备需要将其UART控制器输出的TTL电平转化为被广泛使用的RS232电平等。也就是说FPGA芯片是无法（较为复杂）发出对应的电平标准，如：RS485、RS232、USB接口电平等。在大多数板卡设计时，都会在FPGA外围添加电平转换器，将FPGA的电平标准转换为通信的电平标准。因此开发板上会采用USB <->UART（LVCOMS/LVTTL）的电平转换芯片例如CP2102。所以开发板上的供电端口不仅仅可以供电，还可以进行通信。

此外，UART没有规定不同器件连接时连接器的标准（知道到有RXD,TXD两根线），所以不同器件间通过UART通信时连接很不方便。第二点是TTL电平抗干扰能力差，数据传输易出错。

RS232协议规定了UART串口通信时连接器的标准(DB9)和高低电平。传输距离可达15m。虽然很多处理器会集成UART控制器，但处理器产生的信号时TTL信号，不是符合RS232标准的信号，所以需要在处理器外部添加电路对信号进行电平转换（MAX232可以实现232电平和TTL电平转换）

为了解决RS232标准传输距离短和抗干扰能力差等缺点，提出了RS485标准，传输距离可达1500m。RS485采用两线制连接器标准，RS422采用四线制连接器标准。RS485采用差分信号，因此对于处理器产生的TTL信号，我们需要在处理器外部去添加电路将TTL信号转换成差分信号。

4、串口UART与RS232/RS422/RS485的简要对比

类别	UART	RS232/RS422/RS485
定位	通信协议	网络协议的物理层面
作用	规定数据传输方式	规定了逻辑电平等电气特性
软硬件范畴	软件/硬件兼具	硬件
基本功能	串行传输数据	将UART通信的TTL电平转换为安全、可靠、广泛的RS电平
UART串口通信为何采用RS（422，232，485）电平而非TTL电平？	1、不同的设备TTL电平不同，因此采用统一电平标准RS232。 2、TTL电平抗干扰能力差。