通信协议总结

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、IIC（集成电路间总线）

https://blog.csdn.net/qq_39829913/article/details/104718185

I2C 由 NXP（原 Philips）推出，核心特点是 “双线多主多从”—— 仅需 2 根线即可实现多设备（最多 127 个）通信，支持主设备与从设备双向数据传输，适合板内多外设的中速交互（如传感器、存储芯片）。

1. 核心工作原理

同步传输：需专用时钟线SCL（Serial Clock，主机产生）和数据线SDA（Serial Data，双向传输），所有设备共享 SCL 和 SDA（总线式连接），通过 “从设备地址” 区分不同节点。

通信流程：

主机发送 “起始信号”（SDA 从高变低，SCL 为高时），表示通信开始；
主机发送 “从设备地址”（7 位地址 + 1 位读写位，共 8 位），所有从设备比对地址，匹配的从设备回应 “应答信号（ACK）”；
主机与匹配的从设备进行数据传输（8 位数据 + 1 位 ACK），可读写双向交互；
主机发送 “停止信号”（SDA 从低变高，SCL 为高时），表示通信结束。
地址机制：每个从设备有唯一的 7 位地址（共 127 个地址，0x00~0x7F），主机通过地址选择通信对象，实现 “1 主机 + 多从机” 或 “多主机”（需仲裁机制避免冲突）。

2. 拓扑结构

多主多从总线：

所有设备共享 2 根线（SCL/SDA），每个设备都有唯一地址，支持 1 个或多个主机（如 2 个 MCU 都可作为主机，需仲裁），从设备数量由地址位数决定（7 位地址 127 个，10 位地址 1023 个）。

硬件需求：

2 根线（SCL/SDA），需在两根线上各接一个上拉电阻（通常 4.7kΩ~10kΩ），确保总线空闲时为高电平。

3. 核心特性

速率 中速，分三个等级：标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、高速模式（3.4Mbps）。
距离 极短，仅支持板内通信（厘米级，如同一 PCB 上的 MCU 与传感器），总线长度通常＜1 米。
优缺点 优点：少线多设备、支持双向读写、硬件成本低；
缺点：速率中等、总线长度短、多主机仲裁复杂。

4. 典型应用场景

板内多传感器：如 MCU 同时连接温湿度传感器（SHT30）、光照传感器（BH1750）、加速度传感器（ADXL345），通过 I2C 地址区分，共享 SCL/SDA 线。
存储芯片：如 EEPROM（AT24C02，用于存储配置参数）、实时时钟（RTC，DS3231，用于时间同步）。
外设控制：如 OLED 显示屏（SSD1306）、电源管理芯片（如 TPS65217），通过 I2C 传输控制指令。

二、UART （通用异步收发传输器）

https://blog.csdn.net/weixin_39939185/article/details/134657483

UART 是最基础的串行通信协议，核心特点是 “异步传输”（无需时钟线同步，通过起始位 / 停止位实现帧同步），仅需 2 根线即可实现双向通信，适合短距离、中低速的点对点数据交互

1.工作原理

异步传输：

无专用时钟线，发送端和接收端需预先约定相同的波特率（如 9600bps、115200bps、4Mbps）、数据位（通常 8 位）、停止位（通常 1 位）、校验位（可选，如奇校验 / 偶校验），通过 “帧结构” 实现同步。

帧结构：

每帧数据包含 “1 个起始位（低电平）→8 个数据位（有效数据）→0/1 个校验位→1 个停止位（高电平）”，例如 “8N1” 格式（8 数据位 + 无校验 + 1 停止位）是最常用的配置。

信号方向：

双向通信需 2 根线 ——TX（发送端，输出）和RX（接收端，输入），发送端的TX需连接接收端的RX（交叉连接），若需多设备通信需额外扩展（如 RS485 总线基于 UART 扩展为多节点）。

2. 拓扑结构

点对点：默认仅支持 2 个设备通信（1 个主机 + 1 个从机），若需多设备（如 1 主机 + 3 从机），需通过 RS485 等总线扩展（增加差分信号和地址选择），但本质仍是 UART 协议的延伸。
硬件需求：最少 2 根线（TX/RX），无时钟线，硬件成本极低。

3. 核心特性

速率 中低速，常见波特率 1200bps~4Mbps（高速 UART 可达 10Mbps，但受距离限制）。
距离 短距离，板内通信（厘米级）或板间短距离（如 10 米内，RS232），长距离需 RS485（数百米）。
优缺点 优点：结构简单、硬件成本低、无需时钟同步；
缺点：仅支持点对点、速率受限、多设备扩展复杂。

4. 典型应用场景

板内调试：如 MCU 与串口屏、蓝牙模块（HC-05）的通信，用于打印调试信息或传输控制指令。
短距离外设：如 GPS 模块、传感器（如温湿度传感器 SHT30 的 UART 版本）、PC 与开发板的 USB 转串口通信（如 CH340 芯片）。

三、SPI（串行外设接口）

https://blog.csdn.net/as480133937/article/details/105764119

SPI 由 Motorola 推出，核心特点是 “高速同步、主从结构”—— 通过 4 根线实现主机对多从机的高速数据传输，支持全双工（同时收发），适合高速外设（如显示屏、ADC、Flash）的板内通信。

1. 核心工作原理

同步传输：需 4 根线（部分场景可简化为 3 根）：
SCLK（Serial Clock，主机产生，同步时钟）；
MOSI（Master Out Slave In，主机发送→从机接收）；
MISO（Master In Slave Out，从机发送→主机接收）；
CS（Chip Select，片选，主机通过拉低某从机的 CS 选择通信对象，多从机时需多根 CS 线）。

通信流程：

主机拉低目标从机的CS（片选有效），其他从机的 CS 保持高电平（不响应）；
主机产生SCLK时钟，在时钟的上升沿 / 下降沿（预先约定），通过MOSI向从机发送数据，同时通过MISO从从机接收数据（全双工）；
数据传输完成后，主机拉高CS（片选无效），结束通信。
全双工特性：MOSI 和 MISO 独立，主机和从机可同时发送数据（如主机发送控制指令的同时，从机返回传感器数据），效率高于 UART 和 I2C。

2. 拓扑结构

主从结构：1 个主机（如 MCU）可连接多个从机（如 3 个 Flash 芯片），每个从机需独立的CS线（SCLK、MOSI、MISO 共享），通过CS选择当前通信的从机，不支持多主机。
硬件需求：4 根线（SCLK/MOSI/MISO/CS），无需要上拉电阻，硬件结构比 I2C 稍复杂（多 CS 线）。

3. 核心特性

速率 高速，通常可达几 Mbps 到几十 Mbps（如 STM32 的 SPI 最高支持 50Mbps，部分芯片可达 100Mbps 以上）。
距离 短距离，仅支持板内通信（厘米级），总线长度通常＜0.5 米（速率越高，距离越短）。
优缺点 优点：高速率、全双工、通信效率高、时序简单；
缺点：线数比 I2C 多（多从机需多 CS 线）、不支持多主机、速率受距离限制大。

4. 典型应用场景

高速存储：如 SPI Flash（W25Q64，用于存储固件或图片数据）、SPI RAM（IS62WV51216，用于临时数据缓存）。
高速外设：如高速 ADC（AD7606，用于数据采集）、TFT 显示屏（ILI9341，用于图像传输）、无线模块（如 LoRa 模块 SX1278）。
工业控制：如 PLC 的高速 IO 扩展模块、运动控制芯片（如步进电机驱动芯片 A4988），通过 SPI 传输高速控制指令。

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总结