三种串行总线协议的区别（SPI、I2C和UART）

SPI、I2C跟UART三种串行总线协议的区别：

(如果想了解SPI和I2C更多详细内容，可看 SPI总线（一）：基本原理篇， SPI总线（二）：驱动分析篇，SPI总线（三）：驱动实例，i2c总线（基本原理），普通IO模拟i2c总线，简单i2c设备驱动实例系列文章)

SPI接口详细讲解 - 百度文库

嵌入式硬件基础之SPI总线详解_Tian Jincheng's Blog-CSDN博客_spi硬件详解

第一个,区别当然是名字：

SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口);

I2C(INTER IC BUS)

UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)

第二，区别在电气信号线上：

SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现多个SPI设备互相连接。提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。

如果用通用IO口模拟SPI总线，必须要有一个输出口(SDO)，一个输入口(SDI)，另一个口则视实现的设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出口，若只实现主设备，则需输出口即可，若只实现从设备，则只需输入口即可。

I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。

如果用通用IO口模拟I2C总线，并实现双向传输，则需一个输入输出口(SDA)，另外还需一个输出口(SCL)。（注：I2C资料了解得比较少，这里的描述可能很不完备）

UART总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。

显然，如果用通用IO口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。

第三，从第二点明显可以看出，SPI和UART可以实现全双工，但I2C不行；

第四，看看牛人们的意见吧！

wudanyu：I2C线更少，我觉得比UART、SPI更为强大，但是技术上也更加麻烦些，因为I2C需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻，我觉得抗干扰能力较弱，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信。SPI实现要简单一些，UART需要固定的波特率，就是说两位数据的间隔要相等，而SPI则无所谓，因为它是有时钟的协议。

quickmouse：I2C的速度比SPI慢一点，协议比SPI复杂一点，但是连线也比标准的SPI要少。

1、解剖SPI总线

　　SPI 接口一般使用 4 条线通信，MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。SCLK 时钟信号，由主设备产生。CS 从设备片选信号，由主设备控制。

　　SPI接口在Master控制下产生的从器件使能信号和时钟信号，两个双向移位寄存器按位传输进行数据交换，传输数据高位在前，低位在后（MSB）。在SCK的下降沿上数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器。

2、解剖SPI flash

　　搞懂了SPI协议之后，下面就让小编来带你轻松操作SPI flash芯片。对flash芯片的操作，一般包括对flash芯片的擦除，编程和读取，各大厂商的SPI flash芯片都大同小异，操作命令基本是没什么变化的，当我们拿到一款芯片，要特别注意芯片的容量，操作分区，下面以旺宏的芯片为例为大家讲解。

　　其实，无论是对芯片的擦除，编程还是读取操作，我们大致可以按照以下的套路来：写命令---写地址---写（读）数据。正如以下的时序图一样清晰明了，我们先把片选信号拉低，再发个0x02页编程命令，再发个地址，就可以轻松写数据了。

　　依样画葫芦，擦除操作也是一样，甚至更简单，但是我们要注意循环判断状态寄存器的WIP位直至为0为擦除完成，具体循环时间视芯片而定。

　　另外，我们要特别注意SPI flash的 OTP区，即（ONE TIME PROGRAMMABLE），也就是说这个区域只能编程一次，编程之后不能再修改及擦除，因此我们操作的时候要特别注意。对OTP区域的读写之前，我们首先要发送进入OTP区域的命令，其他的操作和以上普通flash区域的操作是一样的。

　　掌握以上方法，我们就可以轻松操作SPI flash芯片了，当然，对时序这种底层的操作，还需要不断学习和积累

SPI接口介绍（转）

这几天碰到了使用SPI接口的flash,才知道flash还可以是串行的,看来以前真是井底之蛙啊,找了一些SPI接口的资料都不全,后来找到一点英文资料,翻译了一下,加上我的个人理解,凑成一篇了,希望对初学者有点帮助。

SPI接口的全称是"Serial Peripheral Interface",意为串行外围接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,地位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比I2C总线要快,速度可达到几Mbps。

SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,其接口包括以下四种信号：

（1）MOSI – 主器件数据输出,从器件数据输入

（2）MISO – 主器件数据输入,从器件数据输出

（3）SCLK – 时钟信号,由主器件产生

（4）/SS – 从器件使能信号,由主器件控制

在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。

在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如下图所示,在SCLK的下降沿上数据改变,同时一位数据被存入移位寄存器。

SPI接口内部硬件图示：

最后,SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI interface

SPI接口介绍
SPI是由美国摩托罗拉公司推出的一种同步串行传输规范，常作为单片机外设芯片串行扩展接口。SPI有4个引脚：SS(从器件选择线)、SDO(串行数据输出线)、SDI(串行数据输入线)和SCK(同步串行时钟线)。SPI可以用全双工通信方式同时发送和接收8(16)位数据，过程如下：主机启动发送过程，送出时钟脉冲信号，主移位寄存器的数据通过SDO移入到从移位寄存器，同时从移位寄存器中的数据通过SDI移人到主移位寄存器中。8(16)个时钟脉冲过后，时钟停顿，主移位寄存器中的8(16)位数据全部移人到从移位寄存器中，随即又被自动装入从接收缓冲器中，从机接收缓冲器满标志位(BF)和中断标志位(SSPIF)置“1”。同理，从移位寄存器中的8位数据全部移入到主寄存器中，随即又被自动装入到主接收缓冲器中．主接收缓冲器满标志位(BF)和中断标志位(SSPIF)置“1”。主CPU检测到主接收缓冲器的满标志位或者中断标志位置1后，就可以读取接收缓冲器中的数据。同样，从CPU检测到从接收缓冲器满标志位或中断标志位置1后，就可以读取接收缓冲器中的数据，这样就完成了一次相互通信过程。这里设置dsPIC30F6014为主控制器，ISD4002为从器件，通过SPI口完成通信控制的过程。

SPI总线协议

SPI是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
       假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
       那么第一个上升沿来的时候数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将所存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。
       例子：
       假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据

脉冲	主机sbuff	从机sbuff	sdi	sdo
0	10101010	01010101	0	0
1上	0101010x	1010101x	0	1
1下	01010100	10101011	0	1
2上	1010100x	0101011x	1	0
2下	10101001	01010110	1	0
3上	0101001x	1010110x	0	1
3下	01010010	10101101	0	1
4上	1010010x	0101101x	1	0
4下	10100101	01011010	1	0
5上	0100101x	1011010x	0	1
5下	01001010	10110101	0	1
6上	1001010x	0110101x	1	0
6下	10010101	01101010	1	0
7上	0010101x	1101010x	0	1
7下	00101010	11010101	0	1
8上	0101010x	1010101x	1	0
8下	01010101	10101010	1	0

这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。其中ss引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来

SPI 总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。图3示出SPI总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式(实线表示， SPI总线四种工作方式

SPI总线接口及时序
SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI总线接口时序如图所示。

SPI功能模块的设计

根据功能定义及SPI的工作原理，将整个IP Core分为8个子模块：uC接口模块、时钟分频模块、发送数据FIFO模块、接收数据FIFO模块、状态机模块、发送数据逻辑模块、接收数据逻辑模块以及中断形式模块。

深入分析SPI的四种传输协议可以发现，根据一种协议，只要对串行同步时钟进行转换，就能得到其余的三种协议。为了简化设计规定，如果要连续传输多个数据，在两个数据传输之间插入一个串行时钟的空闲等待，这样状态机只需两种状态（空闲和工作）就能正确工作。

SPI接口：板内常见SPI接口详细介绍 - 知乎

1-接口概述

SPI = Serial Peripheral Interface，是串行外围设备接口，是一种高速，全双工，同步的通信总线。常规只占用四根线，节约了芯片管脚，PCB的布局省空间。现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，常见的有EEPROM、FLASH、AD转换器等。

Ø 优点：

支持全双工，push-pull的驱动性能相比open-drain信号完整性更好；

支持高速（100MHz以上）；

协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长；

硬件连接简单；

Ø 缺点：

相比IIC多两根线；

没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备；

没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知；

典型应用只支持单主控；

相比RS232 RS485和CAN总线，SPI传输距离短；

2-硬件结构

SPI总线定义两个及以上设备间的数据通信，提供时钟的设备为主设备Master，接收时钟的设备为从设备Slave；

Ø 信号定义如下：

SCK : Serial Clock 串行时钟

MOSI : Master Output, Slave Input 主发从收信号

MISO : Master Input, Slave Output 主收从发信号

SS/CS : Slave Select 片选信号

Ø 电路连接如下：

单个主设备和单个从设备

单个主设备和多个从设备，通过多个片选信号或者菊花链方式实现；

3-寄存器类型

Motorola定义的SPI寄存器包括：

SPI Control Register 1 (SPICR1) 控制寄存器1

SPI Control Register 2 (SPICR2) 控制寄存器2

SPI Baud Rate Register (SPIBR) 波特率寄存器

SPI Status Register (SPISR) 状态寄存器（只读其余均可读可写）

SPI Data Register (SPIDR) 数据寄存器

通过往寄存器中写入不同的值，设置SPI模块的不同属性。

4- 传输模式

通过设置控制寄存器SPICR1中的CPOL和CPHA位，将SPI可以分成四种传输模式。

CPOL，即Clock Polarity，决定时钟空闲时的电平为高或低。对于SPI数据传输格式没有显著影响。

1 = 时钟低电平时有效，空闲时为高

0 = 时钟高电平时有效，空闲时为低

CPHA，即Clock Phase，定义SPI数据传输的两种基本模式。

1 = 数据采样发生在时钟（SCK）偶数（2,4,6,...,16）边沿（包括上下边沿）

0 = 数据采样发生在时钟（SCK）奇数（1,3,5,...,15）边沿（包括上下边沿）

四种模式如下图所示：

先看第一列两张图（CPHA = 0），采样发生在第一个时钟跳变沿，即数据采样发生在SCK奇数边沿；再看第二列（CPHA =1），采样发生在第二个时钟跳变沿，即数据采样发生在SCK偶数边沿。

第一行两张图，第二行两张图（CPOL = 1），SCK空闲状态为高电平。

主从设备进行SPI通讯时，要确保它们的传输模式设置相同。

其中mode0和mode3最为常见，SPI接口的flash中均会有标注。

5-读写操作

Ø 标准SPI读写为例

片选---读指令---地址---数据读出

片选---写指令---地址---数据写入

Ø Dual I/O Fast Read Sequence Diagram 双路IO

Ø Quad I/O Fast Read Sequence Diagram 四路IO

参考