一、协议的分类

常见通信协议通常可以分为并行通信协议和串行通信协议。

• 并行通信：在同一时刻发送多位数据（可以是多根线）。优点：发送速度快；缺点：传输距离短，资源占用多。
• 串行通信：用一根线在不同的时刻发送8位数据。优点：传输距离远，占用资源少；缺点：发送速度慢。

二、通信方式的分类

通信的方式可以分为：全双工、半双工、单工。

• 单工通信：只能接受或者发送。例如：收音机、遥控器等，一般只有一根线；
• 半双工通信：在同一时刻只能发送或者接收。例如：对讲机，至少有两根线；
• 全双工通信：在同一时刻既能接收又能发送。例如：电话，至少有两根线。

三、常见硬件通信协议

1. SPI协议

1）协议介绍

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今主流的微控制器都集成有SPI接口，如Stm32家族。

2）原理

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。

产生时钟的一侧称为主机，另一侧称为从机。总是只有一个主机（一般来说可以是微控制器/MCU），但是可以有多个从机（后面详细介绍）；

数据的采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低）。

SPI总线包括4条逻辑线，定义如下：

• MISO：Master input slave output 主机输入，从机输出（数据来自从机）；
• MOSI：Master output slave input 主机输出，从机输入（数据来自主机）；
• SCLK ：Serial Clock 串行时钟信号，由主机产生发送给从机；
• CS：Chip Select 片选信号，由主机发送，以控制与哪个从机通信，通常是低电平有效信号。

其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（通常为低电平有效），主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。

整体的传输大概可以分为以下几个过程：

• 主机先将CS信号拉低，这样保证开始接收数据；
• 当接收端检测到时钟的边沿信号时，它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）;
• 主机发送到从机时：主机产生相应的时钟信号，然后数据一位一位地将从MOSI信号线上进行发送到从机；
• 主机接收从机数据：如果从机需要将数据发送回主机，则主机将继续生成预定数量的时钟信号，并且从机会将数据通过MISO信号线发送。

图源见水印

3）SPI模式

a. 时钟极性：CKP/Clock Polarity 或 CPOL

除了配置串行时钟速率（频率）外，SPI主设备还需要配置时钟极性。

时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；

CKP可以配置为1或0。可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。

• CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；

• CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。

b. 时钟相位：CKE /Clock Phase （Edge） 或 CPHA

除配置串行时钟速率和极性外，SPI主设备还应配置时钟相位（或边沿）。

顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

• CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
• CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

c. 模式编号

SPI Mode	CPOL	CPHA
0 [00]	0	0
1 [01]	0	1
2 [10]	1	0
3 [11]	1	1

4）多从机模式

a. 多NSS

1. 通常，每个从机都需要一条单独的SS线。
2. 如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他NSS信号线的状态为高电平；如果同时将两个NSS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

b. 菊花链

在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。

1. 菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；
2. 另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况；

菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整个链充当通信移位寄存器，每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。

5）优缺点

a. 优点

• 全双工串行通信；
• 高速数据传输速率；
• 简单的软件配置；
• 极其灵活的数据传输，不限于8位，可以是任意大小的字；
• 非常简单的硬件结构。从机不需要唯一地址（与I2C不同）；从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）；不需要收发器（与CAN不同）。

b. 缺点

• 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
• 通常仅支持一个主设备；
• 需要4根引脚（与I2C不同）；
• 没有定义硬件级别的错误检查协议；
• 与RS-232和CAN总线相比，传输距离非常短；

2. IIC协议

1）协议介绍

I2C（IIC）属于两线式串行总线，由飞利浦公司开发用于微控制器（MCU）和外围设备（从设备）进行通信的一种总线，属于（一主多从一个主设备（Master），多个从设备（Slave））的总线结构，总线上的每个设备都有一个特定的设备地址，以区分同一I2C总线上的其他设备。

物理I2C接口有两根双向线，串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）组成，可用于发送和接收数据，但是通信都是由主设备发起，从设备被动响应，实现数据的传输。

IIC极低的工作电流，降低了系统的功耗，完善的应答机制大大增强通讯的可靠性。

a. IIC的5种传输速率

I2C协议可以工作在以下5种速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。

• 标准模式（Standard）：100kbps
• 快速模式（Fast）：400kbps
• 快速模式+（Fast-Plus）：1Mbps
• 高速模式（High-speed）：3.4Mbps
• 超快模式（Ultra-Fast）：5Mbps（单向传输）

其中超快模式是单向数据传输，通常用于LED、LCD等不需要应答的器件，和正常的I2C操作时序类似，但是只进行写数据，不需要考虑ACK应答信号。

b. 4种信号

I2C协议最基础的几种信号：起始、停止、应答和非应答信号。

（a）起始信号

A HIGH to LOW transition on the SDA line while SCL is HIGH defines a START condition.

（b）停止信号

A LOW to HIGH transition on the SDA line while SCL is HIGH defines a STOP condition.

过程如下：

I2C协议对数据的采样发生在SCL高电平期间，除了起始和停止信号，在数据传输期间，SCL为高电平时，SDA必须保持稳定，不允许改变，在SCL低电平时才可以进行变化。

（c）应答信号

I2C最大的一个特点就是有完善的应答机制，从机接收到主机的数据时，会回复一个应答信号来通知主机表示“我收到了”。

应答信号出现在1个字节传输完成之后，即第9个SCL时钟周期内，此时主机需要释放SDA总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把SDA拉低，表示应答响应。

使用MCU、FPGA等控制器实现时，需要在第9个SCL时钟周期把SDA设置为高阻输入状态，如果读取到SDA为低电平，则表示数据被成功接收到，可以进行下一步操作。

（d）非应答信号

当第9个SCL时钟周期时，SDA保持高电平，表示非应答信号。

（e）数据有效性

I2C协议对数据的采样发生在SCL高电平期间，除了起始和停止信号，在数据传输期间，SCL为高电平时，SDA必须保持稳定，不允许改变，在SCL低电平时才可以进行变化。

c. 读写时序

向指定寄存器地址写入指定数据操作时序：

从指定寄存器地址读取数据操作时序：

读数据时有两次起始信号：S和Sr。

d. 为什么IIC要加上拉电阻？

I2C协议中规定I2C的SCL和SDA都是开漏（OD）输出，开漏输出只能输出低电平不能输出高电平。根据I2C总线规范，总线空闲时两根线都必须为高，故需要上拉电阻来使其能够稳定地输出高电平。

总结：

1. 给I/O确定的电平，不易受外界干扰；
2. 接上拉的开漏输出结构可以作为外部的输入I/O。

e. IIC上拉电阻该如何选择？

（这部分先偷个懒，后面再写

3. CAN协议

1）协议介绍

控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

2）通信原理

CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

4. UART协议

1）协议介绍

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。

具体实物表现为独立的模块化芯片，或作为集成于微处理器中的周边设备。一般是RS-232C规格的，与类似Maxim的MAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配，作为连接外部设备的接口。在UART上追加同步方式的序列信号变换电路的产品，被称为USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)。

2）通信原理

UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

其中各位的意义如下：

• 起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。
• 数据位：紧接着起始位之后，通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。
• 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。
• 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。
• 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。
• 波特率：是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如资料传送速率为120字符/秒，传输使用256阶符号，每个符号代表8bit，则波特率就是120baud，比特率是$120\times8=960BIT/S$。

5. USB协议

1）协议简介

通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

a. 通信接口

b. 编码方式

这种编码方式也称为反向不归零编码（NRZI）。

位填充：在数据进行NRZI编码前，每6个连续的1信号之后都会插入1个0信号，以避免长时间电平保持不变带来的同步漂移。

2）标准USB接口

下图为标准USB A型连接器（左）及B型连接器（右）。

标准USB接口的信号使用分别标记为$D_+$和$D_-$的双绞线传输，它们各自使用半双工的差分信号并协同工作，以抵消长导线的电磁干扰。

触点	功能（主机）	功能（设备）
1	$V_{BUS}（4.75－5.25 V）$	$V_{BUS}（4.4－5.25 V）$
2	$D_-$	$D_-$
3	$D_+$	$D_+$
4	接地	接地

3）USB Type-C接口

USB Type-C，又称USB-C，是一种通用串行总线（USB）的硬件接口形式，外观上最大特点在于其上下端完全一致，与USB Type-A相比不再区分USB正反面。

a）引脚说明

母头，内凸：

公头，内凹避免线路外露：