很多學嵌入式的同學是不是經常被各種協定搞的暈頭轉向，都分不清是幹嘛的？
今天華妹就給大家好好捋捋嵌入式常用的5大協定，全是幹貨，話不多說，趕緊上車！
01
UART總線通信協定
1. 原理
序列槽通訊的資料包由發送裝置通過自身的TXD接口傳輸到接收裝置的RXD接口。在序列槽通訊的協定層中，規定了資料包的内容，它由啟始位、主體資料、校驗位以及停止位組成， 通訊雙方的資料包格式要約定一緻才能正常收發資料。
2. 波特率
今天主要講解的是序列槽異步通訊，異步通訊中由于沒有時鐘信号，是以兩個通訊裝置之間需要約定好波特率， 即每個碼元的長度，以便對信号進行解碼，上圖中用虛線分開的每一格就是代表一個碼元。常見的波特率為4800、9600、115200等。
3. 通訊的起始和停止信号
序列槽通訊的一個資料包從起始信号開始，直到停止信号結束。資料包的起始信号由一個邏輯0的資料位表示，而資料包的停止信号可由0.5、1、1.5或2個邏輯1的資料位表示，隻要雙方約定一緻即可。
4. 有效資料
在資料包的起始位之後緊接着的就是要傳輸的主體資料内容，也稱為有效資料，有效資料的長度常被約定為5、6、7、8位長。
5. 資料校驗
在有效資料之後，有一個可選的資料校驗位，由于資料通信相對更容易受到外部幹擾導緻傳輸資料出現偏差，可以在傳輸過程加上校驗位來解決這個問題。校驗方法有奇校驗(odd)、偶校驗(even)、0校驗(space)、1校驗(mark)以及無校驗(noparity)。
- 奇校驗要求有效資料和校驗位中"1"的個數為奇數，比如一個8位長的有效資料為：01101001，此時總共有4個"1"，為達到奇校驗效果，校驗位為"1"， 最後傳輸的資料将是8位的有效資料加上1位的校驗位總共9位。
- 偶校驗與奇校驗要求剛好相反，要求幀資料和校驗位中"1"的個數為偶數，比如資料幀：11001010，此時資料幀"1"的個數為4個，是以偶校驗位為"0"。
- 0校驗是不管有效資料中的内容是什麼，校驗位總為"0"。
- 1校驗是校驗位總為"1"。
- 在無校驗的情況下，資料包中不包含校驗位。
02
IIC總線通信協定
1. IIC總線簡介
I2C是Inter-Integrated Circuit的簡稱，讀作：I-squared-C。由飛利浦公司于1980年代提出，為了讓主機闆、嵌入式系統或手機用以連接配接低速周邊外部裝置而發展。主要用途：SOC和周邊外設間的通信（如：EEPROM，電容觸摸晶片，各種Sensor等）。
2. 實體接口
I2C總線隻使用兩條雙向漏極開路的信号線（串行資料線：SDA，及串行時鐘線：SCL），并利用電阻上拉。
- SCL（Serial Clock）：串行時鐘線，傳輸CLK信号，一般是主裝置向從裝置提供；
- SDA（Serial Data）：串行資料線，傳輸通信資料 I2C使用一個7bit的裝置位址，一組總線最多和112個節點通信。最大通信數受限于位址空間及400pF的總線電容。
I2C總線廣泛應用在EEPROM、實時時鐘、LCD及其他晶片的接口。
I2C允許相當大的工作電壓範圍，典型的電壓基準為：+3.3V或+5V。
常見的I2C總線以傳輸速率的不同分為不同的模式：标準模式（100Kbit/s）、低速模式（10Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）、高速模式（3.4Mbit/s）， 時鐘頻率可以被下降到零，即暫停通信。該總線是一種多主要總線，即可以在總線上放置多個主裝置節點，在停止位（P）發出後，即通訊結束後，主裝置節點可以成為從裝置節點。
主裝置節點：産生時鐘并發起通信的裝置節點。
從裝置節點：接收時鐘并響應主裝置節點尋址的裝置節點。
(1) I2C通信雙方地位不對等，通信由主裝置發起，并主導傳輸過程，從裝置按I2C協定接收主裝置發送的資料，并及時給出響應。
(2) 主裝置、從裝置由通信雙方決定（I2C協定本身無規定），既能當主裝置，也能當從裝置（需要軟體進行配置）。
(3) 主裝置負責排程總線，決定某一時刻和哪個從裝置通信。同一時刻，I2C總線上隻能有一對主裝置、從裝置通信。
(4) 每個I2C從裝置在I2C總線通訊中有一個I2C從裝置位址，該位址唯一，是從裝置的固有屬性，通信中主裝置通過從裝置位址來找到從裝置。
3. 總線狀态
空閑态：沒有裝置發生通信。
忙态：其中一個從裝置和主裝置通信，I2C總線被占用，其他從裝置處于等待狀态。
4. 通信協定
時序：在通信中時序是通信線上按時間順序發生的電平變化，及這些電平變化對通信的意義。
每個通信周期都由一個起始位開始通信，由一個結束位結束通信，中間部分是傳遞的資料。
4.1 起始位和停止位
I2C總線通訊由起始位開始通訊，結束位停止通訊，并釋放I2C總線。起始位和結束位都由主裝置發出。
起始位（S）：在SCL為高電平時，SDA由高電平變為低電平。
結束位（P）：在SCL為高電平時，SDA由低電平變為高電平。
4.2 資料格式與應答
I2C資料以位元組（即8bits）為機關傳輸，每個位元組傳輸完後都會有一個ACK應答信号。應答信号的時鐘是由主裝置産生的。
應答（ACK）：拉低SDA線，并在SCL為高電平期間保持SDA線為低電平。
非應答（NOACK）：不要拉低SDA線（此時SDA線為高電平），并在SCL為高電平期間保持SDA線為高電平。
在傳輸期間，如果從裝置來不及處理主裝置發送的資料，從裝置會保持SCL線為低電平，強迫主裝置等待從裝置釋放SCL線，直到從裝置處理完後，釋放SCL線，接着進行資料傳輸。
5. 資料傳輸通訊
5.1 寫資料
開始資料傳輸後，先發送一個起始位（S），主裝置發送一個位址資料， 然後主裝置釋放SDA線，并等待從裝置的應答信号（ACK）。每一個位元組資料的傳輸都要跟一個應答信号位。資料傳輸以停止位（P）結束，并且釋放I2C總線。
5.2 讀資料
開始通訊時，主裝置先發送一個起始信号（S），主裝置發送一個位址資料， 然後主裝置釋放SDA線，并等待從裝置的應答信号（ACK）。從裝置應答主裝置後，主裝置再發送要讀取的寄存器位址，從裝置應答主裝置（ACK）。主裝置再次發送起始信号（Sr），主裝置發送裝置位址（包含讀标志），從裝置應答主裝置，并将該寄存器的值發送給主裝置。
03
SPI總線通訊協定
1. 什麼是SPI
SPI接口是Motorola首先提出的全雙工同步串行總線，采用主從模式（Master Slave）架構，支援多slave模式應用。
在實際開發過程中，大多數采用單Master。多slave模式時鐘由Master控制，在時鐘移位脈沖下，資料按位傳輸，高位在前，低位在後；也可以低位在前，高位在後。
SPI接口有2根單向資料線，為全雙工通信，目前應用中的資料速率可達幾Mbps的水準。
2. SPI總線硬體連接配接
SPI四根信号線
- 裝置選擇線：NSS
- 時鐘線：SCL
- 串行輸出資料線：MOSI
- 串行輸入資料線：MISO
M:master O:output S:slave I:input
(1) MOSI：主器件資料輸出(寫)，從器件資料輸入(讀)
(2) MISO：主器件資料輸入，從器件資料輸出
(3) SCLK ：時鐘信号，由主器件産生
(4) /SS：從器件使能信号，由主器件控制（片選線）
3. SPI優點
支援全雙工通信、通信簡單、資料傳輸速率快。
4. SPI缺點
沒有指定的流控制、沒有應答機制确認是否接收到資料，是以跟IIC總線協定比較在資料，可靠性上有一定的缺陷。
5. 協定通信時序詳解
- 起始信号: NSS信号線由高變低，是SPI通訊的起始信号。
- 結束信号：NSS信号由低變高，是SPI通訊的停止信号。
- 資料傳輸：SPI使用MOSI及MISO信号線來傳輸資料，使用SCK信号線進行資料同步。MOSI及MISO資料線在SCK的每個時鐘周期傳輸一位資料，且資料輸入輸出是同時進行 的。SPI每次資料傳輸可以 8 位或 16 位為機關，每次傳輸的機關數不受限制。
6. SPI總線通信模式
04
RS232總線描述
1. 概述
RS-232接口符合電子工業聯盟（EIA）建立的串行資料通信接口标準。原始編号是EIA-RS-232（簡稱232，RS232），它廣泛用于計算機串行接口外設連接配接。連接配接電纜以及機械、電氣、信号和傳輸過程。RS-232-C标準規定的資料傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
2. 特性
RS-232是現在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點：
(1) 接口的信号電平值較高，易損壞接口電路的晶片。RS232接口任何一條信号線的電壓均為負邏輯關系。即：邏輯“1”為-3—-15V；邏輯“0”：+3—+15V，噪聲容限為2V。即要求接收器能識别高于+3V的信号作為邏輯“0”，低于-3V的信号作為邏輯“1”，TTL電平為5V為邏輯正，0為邏輯負。與TTL電平不相容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接配接。
(2) 傳輸速率較低，在異步傳輸時，比特率為20Kbps；是以在51CPLD開發闆中，綜合程式波特率隻能采用19200，也是這個原因。
(3) 接口使用一根信号線和一根信号傳回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易産生共模幹擾，是以抗噪聲幹擾性弱。
(4) 傳輸距離有限。最大傳輸距離标準值為50英尺，實際上也隻能用在15米左右。
05
RS485概述
1. 場景
在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線，RS-485采用平衡發送和差分接收，是以具有抑制共模幹擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信号能在千米以外得到恢複。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候隻能有一點處于發送狀态，是以，發送電路須由使能信号加以控制。
2. RS485特點
RS-485用于多點互連時非常友善，可以省掉許多信号線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32台驅動器和32台接收器。針對RS-232-C的不足，新标準RS-485具有以下特點：
(1) RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差+2V~+6V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差-6V~-2V表示。接口信号電平比RS-232-C降低了，就不容易損壞接口電路晶片，且該電平與TTL電平相容，刻友善與TTL電路連接配接。
(2) 資料最高傳輸速率為：10Mbps。
(3) RS-485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模幹擾能力強，即抗噪聲性能好。
(4) RS-485接口的最大傳輸距離标準值4000英尺，實際上可達3000米。
(5) RS-232-C接口在總線上隻允許連接配接一個收發器，即單站能力；而RS-485接口在總線上隻允許連接配接多達128個收發器，即具有多站能力，這樣使用者可以利用單一的RS-485接口友善地建立裝置網絡。
06
IIC總線和SPI總線對比
1. 相同點
均采用串行同步總線、都采用TTL電平、主從模式架構。
2. 不同點
- IIC總線為半雙工通信，因為IIC總線隻有一根SDA資料線。
- SPI總線為全雙工通信，因為SPI總線有兩個單向的資料線(MOSI和MISO)。
- IIC總線有應答信号，SPI總線沒有應答信号。
- IIC總線通過尋址進行選擇和哪一個從機進行通信。
- SPI總線通過片選線選擇和哪一個從機進行通信，片選線向從機發送使能信号。
- 比如說有10個從機裝置，需要10根片選線，比較浪費硬體引腳資源。
- IIC總線通過高低電平的變化進行資料傳輸。
- SPI總線邊沿觸發，邊沿采樣。
07
RS232和RS484總線對比
工作模式：RS232 為全雙工，RS485 為半雙工。
傳輸方式：RS485和RS232隻是實體協定的通信（即接口标準），RS485是差分傳輸方式，RS232是單端傳輸方式，但通信程式沒有太大差別
信号線：RS485接口組成的半雙工網絡，一般隻需二根信号線。RS-232 口一般隻使用 RXD、TXD、GND 三條線
抗幹擾性：RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗噪聲幹擾性好。RS232接口使用一根信号線和一根信号傳回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易産生共模幹擾
傳輸距離：RS485接口的最大傳輸距離标準值為1200米(9600bps時)，實際上可達3000米。RS232傳輸距離有限，最大傳輸距離标準值為50米，實際上也隻能用在15米左右。
通信能力：RS485接口在總線上是允許連接配接多達128個收發器，使用者可以利用單一的 RS485 接口友善地建立起裝置網絡。RS232隻允許一對一通信
傳輸速率：RS232傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps。RS485的資料最高傳輸速率為10Mbps。
電氣電平值：RS485的邏輯"1"以兩線間的電壓差為+(2-6)V 表示；邏輯"0"以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示。在 RS232中任何一條信号線的電壓均為負邏輯關系，即：邏輯"1"，-(5-15)V；邏輯"0 " +(5- 15)V 。