通信协议整理（I2C、UART、SPI）

通信特征

（从数据传输方向上）：

• 单工：数据只能单一方向传输；
• 半双工：数据能在两个方向传输，但同一时刻只能在一个方向；
• 双工：数据能同时在两个方向传输；

I2C

I2C在物理层上有SCL和SDA两条线将主机和从设备连接，并有上拉电阻连接。

SCL工作逻辑：

• 空闲时为高电平，通信开始后拉低
• 通信过程中，SCL低电平时某一设备在SDA上设置数据（电平信号），高电平时另一设备读取SDA的电平信号。

• 启动条件：SCL处于高电平，把SDA（从高电平）拉低；（多主机占用一个总线时，最先拉低SDA的主机获得总线使用权）
• 结束条件：SCL处于高电平，把SDA（从低电平）拉高；
• （其他时刻，SCL高电平时SDA不能发生跳变）
• 重复启动条件：当某一主设备获取到从机应答后需要立刻做出下一步传输，为避免被其他主机占用总线，主设备接受了应答后应使用启动条件而非结束条件

仲裁：

对于多主机、多节点，所有SDA或SCL都会通过上拉电阻连接到高电平，意味着I2C总线在理论上只能由一对主机、节点进行数据传输。各个主机通过监视SDA、SCL，直至停止条件发生、总线进入空闲时才开始传输消息。

如果出现多个主机同时开始传输，就需要进行仲裁：最先将SDA信号电平拉低的主机为仲裁获胜者，失败者立即暂停传输。

UART

异步通信协议，物理层上包括TX、RX两条数据传输的接线和共地的接线。

两个设备之间的UART通信需要有相同的波特率，以保持收发速率一致。

UART的传输以数据帧为单位，数据帧格式有两种，分别是无校准位（8位数据位）和有校准位（9位数据位）。

数据帧如下图：（ 起始位+8位数据位/9位数据位（带奇偶检验）+停止位(1or2) ）

SPI

SPI是同步、全双工的通信，仅支持一主多从。物理层上包含：

1. SCK时钟线
2. MISO、MOSI数据线
3. CS/NSS/SS片选：每个从机设备都有一个自己的片选线，置低电平时，该设备被选择与主机通信

主从设备的shift register通过MISO、MOSI连接成数据传输的回路。此外还有buffer register作为收发数据的缓冲区，发送和接收的数据。

SPI有两个时钟的配置选项，分别是clock polarity和clock edge，主从设备进行SPI通信需要这两个时钟配置保持一致：

• clock polarity 时钟极性：在时钟空闲时的电平（高/低）
  0：空闲时钟电平为0；
  1：空闲时钟电平为1；
• clock edge 时钟边沿：数据传输（移位）的时钟边沿
  0：数据移位发生在时钟从空闲转换到活动时；
  1：数据移位发生在时钟从活动转换到空闲时；

📊 SPI模式组合：

SPI模式由两个参数决定：

• CPOL (Clock Polarity)：时钟极性
• CPHA (Clock Phase)：时钟相位

组合后的四种模式：

模式	CPOL	CPHA	采样时刻	空闲时钟	数据采样边沿
Mode 0	0	1EDGE	第一个边沿	低电平	上升沿
Mode 1	0	2EDGE	第二个边沿	低电平	下降沿
Mode 2	1	1EDGE	第一个边沿	高电平	下降沿
Mode 3	1	2EDGE	第二个边沿	高电平	上升沿

参考：
[I2C] ADI整理发布的I2C，PMbus，SMbus入门教程，难得的好文章（含中文版）
I²C – Inter-Integrated Circuit
SPI – Serial Peripheral Interface