串口通信（Serial Communications）的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線(xiàn)接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線(xiàn)總長(zhǎng)不得超過(guò)20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò)2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá)1200米。典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線(xiàn)完成，分別是地線(xiàn)、發(fā)送、接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線(xiàn)上接收數(shù)據(jù)。其他線(xiàn)用于握手，但不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配。

串口通信指串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線(xiàn)接收數(shù)據(jù)。

常見(jiàn)的串行通信協(xié)議

1.UART

UART是通用異步收發(fā)傳輸器，使用RxD和TxD兩根線(xiàn)實(shí)現(xiàn)異步全雙工通信；為確保通信可靠，可以在通信兩邊接共地；因此，完整的UART通信只需最少3根線(xiàn)即可。

RxD是發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)，TxD是接收數(shù)據(jù)線(xiàn)，通信雙方使用交叉互聯(lián)，RxD接對(duì)方TxD，TxD接對(duì)方RxD。UART使用標(biāo)準(zhǔn)的TTL/CMOS電平（0~5V，0~3.3V，0~2.5V，0~1.8V）來(lái)表示數(shù)據(jù)，高電平表示1，低電平表示0.為了增強(qiáng)抗干擾能力，提高傳輸長(zhǎng)度，可將TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換為RS232電平邏輯電平，3~12V表示0，-3~-12V表示1（RS232為負(fù)邏輯）

1）UART平時(shí)處于空閑狀態(tài)，邏輯1狀態(tài)。

2）當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先發(fā)送起始位，即將TxD拉低并維持1位時(shí)間，接收方在檢測(cè)到起始位下降沿，等待1.5位后開(kāi)始一位一位檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3）發(fā)送數(shù)據(jù)，UART數(shù)據(jù)一幀可以是5，6，7，8位等，一般是8bit，一個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)發(fā)送是先發(fā)送低位，依次發(fā)送，直到最高位。

4）可以使用0或者1bit的校驗(yàn)位，校驗(yàn)位可以是奇校驗(yàn)或者偶檢驗(yàn)。奇校驗(yàn)：數(shù)據(jù)加校驗(yàn)位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)：數(shù)據(jù)加校驗(yàn)位中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。

5）最后是停止位，數(shù)據(jù)線(xiàn)恢復(fù)到空閑狀態(tài)，停止位可以是1，1.5，2位。

1位時(shí)間由波特率決定，在UART通信中，波特率（一秒鐘傳輸?shù)姆?hào)數(shù)）等于比特率（一秒鐘傳輸?shù)淖址麛?shù)），通信雙方使用約定的一致的波特率進(jìn)行通信，常見(jiàn)的波特率有4800，9600，115200等。

2.I2C

與UART不同，I2C 是同步半雙工通信協(xié)議。I2C使用SCL，SDA兩根雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行通信，同時(shí)為了支持線(xiàn)與邏輯，需要使用開(kāi)漏輸出，同時(shí)使用上拉電阻；上拉電阻大小常見(jiàn)的有1.8K，4.7K，10K；在低速場(chǎng)合，為了降低功耗，可以使用10K上拉電阻，1.8K的上拉電阻具有最好的性能，可滿(mǎn)足較高速的應(yīng)用。I2C常見(jiàn)的通信速率有普通：100K，快速：400K，高速：3.4M。I2C最大的從機(jī)數(shù)量受從機(jī)地址和最大總線(xiàn)電容400pF電容的限制。I2C的數(shù)據(jù)幀格式如下：

開(kāi)始位 | 7bit從機(jī)地址 | 1bit讀寫(xiě)方向位（0寫(xiě)，1讀） | 1bit應(yīng)答 | 8bit數(shù)據(jù)1 | 1bit應(yīng)答1| 。.. | 8bit數(shù)據(jù)N |1bit非應(yīng)答N | 停止位 。

空閑狀態(tài)：空閑時(shí)，SCL，SDA同時(shí)處于高電平。此時(shí)，各器件的輸出場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)，釋放總線(xiàn)，總線(xiàn)信號(hào)由上拉電阻上拉至高電平。

開(kāi)始START:SCL為高電平時(shí)，SDA有下降沿。

數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)傳輸已字節(jié)為單位，第一個(gè)字節(jié)表示從機(jī)地址+讀寫(xiě)方向，后續(xù)數(shù)據(jù)格式由器件自己定義。數(shù)據(jù)傳輸中，SDA的只能在SCL低電平時(shí)變化，并在SCL上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

應(yīng)答：每發(fā)送一個(gè)字節(jié)后，接收方必須回應(yīng)答信號(hào)ACK，但發(fā)送最后一個(gè)字節(jié)后，回非應(yīng)答信號(hào)NACK。

停止STOP ：SCL為高電平時(shí)，SDA有上升沿。

握手機(jī)制：I2C提供握手機(jī)制，當(dāng)主機(jī)速度太快而從機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足快速通信時(shí)，從機(jī)可以拉低SCL來(lái)與主機(jī)握手，從而延長(zhǎng)SCL低電平的時(shí)間。（SCL高電平由所有器件發(fā)出最短的高電平?jīng)Q定，低電平則有低電平最長(zhǎng)的決定）。

仲裁：SDA是線(xiàn)與邏輯，因此，只要有一端輸出低，總線(xiàn)就為低電平，因此是低電平優(yōu)先仲裁。仲裁規(guī)則是發(fā)送低電平個(gè)數(shù)多的主機(jī)獲得總線(xiàn)權(quán)。

由于I2C通信的方向性，在一次通信中不能改變數(shù)據(jù)流方向，因此讀過(guò)程中需要一次dummy寫(xiě)過(guò)程：

dummy寫(xiě)完后，在restart，然后將數(shù)據(jù)流方向改為讀，接著就可以讀取從機(jī)數(shù)據(jù)內(nèi)容了。

3.SPI

SPI是同步全雙工串行通信協(xié)議。SPI定義了4根信號(hào)線(xiàn)：

SCK：時(shí)鐘線(xiàn)，主機(jī)提供

MISO：主入從出

MOSI：主出從入

SS：片選。

片選信號(hào)可選，因此通信最少需要3根信號(hào)線(xiàn)。SPI在時(shí)鐘上升沿下進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，主機(jī)在輸出的同時(shí)，也會(huì)接收到從機(jī)的數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)上，主機(jī)從機(jī)均需要一個(gè)移位寄存器。SPI不區(qū)分讀寫(xiě)方向，只進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，要讀也必須寫(xiě)，才能將數(shù)據(jù)交換過(guò)來(lái)。

SPI通過(guò)時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位定義了4種通信模式：

時(shí)鐘極性CPOL：0：空閑時(shí)SCK為0，1：空閑時(shí)SCK為1.

時(shí)鐘相位CPHA：0：數(shù)據(jù)在第一個(gè)時(shí)鐘跳沿采樣（可能是上升沿，可能是下降沿，與CPOL有關(guān)），1：數(shù)據(jù)在第二個(gè)時(shí)鐘跳沿采樣（可能是上升沿，可能是下降沿，與CPOL有關(guān)）。

若在上沿采樣，則數(shù)據(jù)在下沿輸出，因此數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的被采樣。

SPI時(shí)序圖如下：