嵌软面试——通信协议

一、UART/USART

Q1: UART的通信帧格式是怎样的？

• 答案：
  每帧数据包含：

  • 起始位（1位，低电平）

  • 数据位（5~9位，通常8位）

  • 校验位（可选，奇偶校验）

  • 停止位（1~2位，高电平）

  • 示例：起始位(0) + 数据位(0x55) + 无校验 + 停止位(1)

Q2: 为什么UART是“异步”通信？

• 答案：

  • 无时钟线（SCL），依赖双方预设的波特率（Baud Rate）同步采样数据。

  • 每个数据帧通过起始位重新同步时序。

1. 同步（Synchronous）

• 定义：任务按顺序执行，必须等待前一个任务完成后才能开始下一个任务。

• 特点：

  • 阻塞式：调用方必须等待被调用方的结果返回后才能继续执行。

  • 顺序性强：任务严格按照代码编写的顺序执行。

  • 简单直观：逻辑清晰，易于理解和调试。

• 例子：

  • 同步函数调用：函数A调用函数B，必须等B执行完毕并返回结果后，A才能继续。

  • 排队取餐：必须等前一个人取完餐，才能轮到你。

 

2. 异步（Asynchronous）

• 定义：任务可以独立执行，调用方无需等待被调用方的结果，而是通过回调、事件或通知等方式在完成后处理结果。

• 特点：

  • 非阻塞式：调用方发起请求后可以继续执行其他任务，无需等待。

  • 并发性高：适合处理耗时操作（如网络请求、文件读写）。

  • 复杂度高：需要通过回调、Promise、async/await等机制处理结果。

• 例子：

  • 异步编程：JavaScript中的setTimeout、Ajax请求。

  • 点餐后拿号：下单后可以去做其他事，餐好了会通知你。

 它们的核心区别在于任务执行的顺序性和依赖性，以及是否需要等待

 

2. 硬件设计

Q3: UART最少需要几根线？电平标准有哪些？

• 答案：

  • 最少 2根线（TX发送、RX接收），全双工通信。

  • 电平标准：

    • TTL UART：3.3V/5V（MCU直接使用）

    • RS232：±12V（长距离，需电平转换芯片如MAX232）

    • RS485：差分信号（抗干扰，多设备共享总线）

Q4: 如何实现UART的长距离通信（>1m）

• 答案：

  • 转换为RS485（差分信号，抗干扰，支持千米级传输）或光隔离（防高压干扰）。

3. 软件实现

Q5: UART如何检测数据传输错误？

• 答案：

  • 奇偶校验：检查数据位中“1”的个数是否符合奇/偶规则。

  • 帧错误：停止位未检测到高电平。

  • 溢出错误：接收缓冲区未及时读取，新数据覆盖旧数据。

Q6: UART接收数据时如何避免溢出？

• 答案：

  • 使用FIFO或DMA减少CPU中断负载。

  • 提高中断优先级，及时读取接收缓冲区（如STM32的HAL_UART_Receive_IT()）。

Q7: 为什么调试日志常用UART而不用SPI/I2C？

• 答案：

  • UART连接简单（仅需TX/RX），无需时钟同步，适配大多数终端工具（如PuTTY）。

  • SPI/I2C需协议解析，适合设备间通信，不适合人机交互。

Q8: UART的波特率误差允许范围是多少？

• 答案：

  • 通常要求误差<3%（如9600bps时，实际波特率需在9312~9888bps之间）。

  • 误差过大会导致采样点偏移，数据错位。

Q9: USART和UART的区别是什么？

• 答案：

  • UART：纯异步（无时钟线）。

  • USART：可配置为同步模式（带SCLK时钟线）或异步模式（同UART）。

  • 同步模式：常用于高速通信或需要严格时序的场景（如SPI兼容模式）。

Q10: USART的同步模式下，时钟（SCLK）由谁提供？

• 答案：

  • 主设备提供时钟（类似SPI），从设备根据时钟边沿采样数据。

Q11: USART的硬件流控（Hardware Flow Control）是什么？

• 答案：

  • 通过RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）信号线控制数据流，防止缓冲区溢出。

  • 应用场景：高速通信（如GPS模块连续输出数据）。

Q12: 如何用USART模拟SPI？

• 答案：

  • 配置USART为同步主模式（SCLK输出），通过TX发送数据，RX接收数据（半双工SPI）。

Q13: 什么场景下会选择USART而非UART？

• 答案：

  • 需要同步通信（如驱动SPI设备但硬件SPI引脚不足）。

  • 需要硬件流控（如高速Modem通信）。

        

面试技巧

• 举例说明：
  “我在项目中用UART连接GPS模块（NMEA-0183协议），波特率9600，无校验位。遇到数据丢失后，发现是MCU中断优先级过低，改用DMA解决。”

• 陷阱问题：

  • “UART能实现多设备通信吗？”

    • 可以，但需软件协议（如MODBUS）或硬件切换（如多路复用器）。

  • “USART的同步模式和SPI有何区别？”

    • USART同步模式通常为半双工，SPI为全双工；SPI有CS片选信号，USART无。

二、IIC协议

1. 核心特性

• 两根线：

  • SCL（Serial Clock）：时钟线，由主设备控制。

  • SDA（Serial Data）：双向数据线。

• 多主多从：支持多个主设备（通过仲裁机制避免冲突）。

• 半双工：同一时刻只能发送或接收数据。

• 地址寻址：每个从设备有唯一7位或10位地址。

2. 关键问题

Q1: I2C的起始（START）和停止（STOP）条件如何定义？

• 答案：

  • START：SCL高电平时，SDA从高→低跳变。

  • STOP：SCL高电平时，SDA从低→高跳变。

Q2: I2C的7位地址格式是怎样的？如何区分读/写操作？

• 答案：

  • 地址位（7位） + 读写位（1位）：

    • 0：主设备写数据到从设备。

    • 1：主设备从从设备读数据。

  • 示例：地址0x68（7位：1101000）的写操作字节为 0xD0（11010000）。

Q3: 为什么I2C需要上拉电阻？阻值如何计算？

• 答案：

  • 原因：I2C设备为开漏输出（只能拉低，不能主动拉高），需外部电阻提供高电平。

  • 计算：

    • 最小值：Rp(min) = (Vdd - Vol) / Iol（避免电流过大）。

    • 最大值：Rp(max) = tr / (0.8473 × Cbus)（满足上升时间）。

  • 典型值：3.3V系统常用3.3kΩ~4.7kΩ（标准模式100kHz）。

Q4: I2C总线电容过大会导致什么问题？如何解决？

• 答案：

  • 问题：信号上升时间变长，可能违反时序（如SCL频率高时采样错误）。

  • 解决：

    1. 减小上拉电阻（但需注意驱动能力）。

    2. 使用I2C缓冲器（如PCA9515）隔离电容。

Q5: I2C如何实现多主设备仲裁？

• 答案：

  • 线与逻辑：所有主设备监听SDA，若发现自身发送的电平与总线实际电平不一致（即其他主设备拉低），则退出竞争。

  • 仲裁过程：从地址位开始比较，低电平优先。

Q6: I2C总线上拉电阻接3.3kΩ，但通信失败，可能原因？

• 答案：

  • 总线电容过大（如导线过长、设备过多），导致上升时间不足。

  • 从设备地址冲突或未响应。

  • 主设备未正确处理ACK/NACK。

Q7: I2C的完整数据传输流程是怎样的？

• 答案：

  1. 主设备发送START条件。

  2. 发送从设备地址 + 读写位。

  3. 从设备回复ACK（拉低SDA）。

  4. 传输数据（每字节后跟ACK/NACK）。

  5. 主设备发送STOP条件。

Q8: 如何用代码实现I2C的起始信号？

void I2C_Start() {SDA_High();  // SDA=1SCL_High();  // SCL=1Delay();SDA_Low();   // SDA=0 (START)Delay();SCL_Low();   // SCL=0
}

Q9: I2C从设备无ACK响应，如何排查？

• 答案：

  1. 检查从设备地址是否正确（示波器抓取地址字节）。

  2. 确认从设备供电和复位正常。

  3. 检查总线是否被意外拉低（如设备故障导致SDA锁死）。

Q10: I2C适合哪些场景？举例说明。

• 答案：

  • 低速、省引脚的设备：传感器（BME280）、EEPROM（AT24C02）、RTC（DS3231）。

  • 多设备共享总线：如一块PCB上挂载多个传感器。

Q11: I2C和SPI在驱动OLED时如何选择？

• 答案：

  • I2C：引脚少（仅2线），但速率低（通常≤400kHz），适合小屏或静态显示。

  • SPI：速率高（可达MHz级），适合刷新率高的动态显示。

Q12: I2C和UART谁更适合长距离通信？

• 答案：

  • UART+RS485：更适合长距离（差分信号抗干扰）。

  • I2C通常用于板内通信（<1m），长距离需加缓冲器。

Q13: “I2C总线上拉电阻用1kΩ行不行？

• 答案：

  • 需计算：若总线电容大（如100pF），1kΩ可能导致上升时间不足（标准模式要求tr≤1μs）。

Q14: “I2C可以热插拔吗？”

• 答案：

  • 不推荐！热插拔可能导致总线电平紊乱，需设计热插拔保护电路（如TI的I2C缓冲器）。

三、SPI协议

1. 核心特性

• 全双工通信：数据同时收发（MOSI和MISO独立）。

• 同步时钟：主设备控制SCLK，严格时序同步。

• 四线制（标准SPI）：

  • SCLK：时钟线（主→从）。

  • MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送，从设备接收。

  • MISO（Master In Slave Out）：从设备发送，主设备接收。

  • CS/SS（Chip Select）：片选信号（低电平有效，每个从设备独立一根）。

Q1: SPI的四种工作模式（CPOL/CPHA）是什么？如何选择？

• 答案：

  • CPOL（Clock Polarity）：时钟空闲状态。

    • 0：SCLK空闲时为低电平。

    • 1：SCLK空闲时为高电平。

  • CPHA（Clock Phase）：数据采样边沿。

    • 0：在SCLK的第一个边沿（上升或下降）采样。

    • 1：在SCLK的第二个边沿采样。

        

Q2: SPI是全双工还是半双工？为什么？

• 答案：

  • 全双工，因为MOSI和MISO可同时传输数据（主设备发送时，从设备也可回复）

Q3: SPI最多能接多少个设备？如何扩展？

• 答案：

  • 理论限制：受主设备CS引脚数量限制（通常MCU提供4~8个专用CS）。

  • 扩展方法：

    1. 译码器扩展（如74HC138）：用3个GPIO生成8个CS信号（2^N扩展）。

    2. 菊花链（Daisy Chain）：所有从设备共享CS，数据级联（需设备支持，如某些ADC）。

    3. SPI切换器（如模拟开关ADG704）：动态切换总线路径

Q4: SPI的片选信号（CS）可以共用吗？为什么？

• 答案：

  • 不能共用（除非菊花链模式），因为：

    • 所有从设备的MISO会冲突（多个输出短路）。

    • 主设备无法区分数据来源。

Q5: SPI长距离通信（>10cm）需要注意什么？

• 答案：

  • 降低SCLK频率（减少信号失真）。

  • 使用差分SPI（如LVDS）或加缓冲器（如SN74LVC4245）。

  • 缩短走线长度，避免平行布线（减少串扰）。

Q6: SPI的时钟频率如何设置？受什么因素限制？

• 答案：

  • 设置方法：通过主设备时钟分频（如STM32的SPI_BaudRatePrescaler）。

  • 限制因素：

    1. 从设备支持的最高频率（如Flash芯片通常支持50MHz）。

    2. 总线电容（导线越长，最大频率越低）。

Q7: SPI通信时MISO无数据，如何排查？

• 答案：

  1. 检查CS信号是否已拉低（从设备未使能）。

  2. 确认时钟模式（CPOL/CPHA）匹配。

  3. 测量SCLK和MOSI波形（示波器抓取时序）。

Q8: 为什么Flash芯片常用SPI而不用I2C？

• 答案：

  • SPI速率远高于I2C（如W25Q128支持104MHz，I2C仅400kHz）。

  • Flash需频繁读写大数据块，SPI的全双工特性更高效。

Q9: “SPI可以没有MISO线吗？

• 答案：

  • 可以！如果仅需主设备发送数据（如驱动LED屏），可省略MISO（单工模式）。

Q10: “SPI的CS信号可以一直拉低吗？

• 答案：

  • 不建议！CS拉低期间从设备会持续消耗功率，且可能干扰其他设备。应在数据传输间隙释放CS。