前言
完整的硬件產品是由多種模塊組合實現(xiàn)產品功能的，微控制器 MCU 充當大腦，外圍的存儲單元、顯示單元、發(fā)聲單元、傳感器單元、運動單元等等是其軀干和四肢，而不同類型的硬件單元需要有機的結合起來，就離不開相互之間的數(shù)據(jù)通信，電子工業(yè)經(jīng)過了百余年的發(fā)展，衍生出了繁多的協(xié)議，其中既有行業(yè)公認的標準協(xié)議，也有企業(yè)自研的內部標準，這些協(xié)議通?？梢苑譃椴⑿型ㄐ艆f(xié)議和串行通信協(xié)議。
- 并行通信，在同一時刻發(fā)送多位數(shù)據(jù)（可以是多根線）。優(yōu)點是發(fā)送速度快；缺點是傳輸距離短 資源占用多。
- 串行通信，用一根線 在不同的時刻發(fā)送8位數(shù)據(jù)。優(yōu)點是傳輸距離遠 占用資源少；缺點是發(fā)送速度慢。
通信的方式可以分為：全雙工、半雙工、單工
- 單工通信 只能接受或者發(fā)送 收音機 遙控器，一般只有一根線
- 半雙工通信 在同一時刻只能發(fā)送或者接收 對講機，至少有兩根線
- 全雙工通信 在同一時刻 既能接收又能發(fā)送 電話，至少有兩根線
根據(jù)是接收端和發(fā)送端時鐘頻率的異同又可分為同步通信和異步通信，本章將簡單介紹主流的一些硬件通信協(xié)議。
SPI 協(xié)議
協(xié)議概括
SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，如今主流的微控制器都集成有spi接口，如 stm32 家族。
通信原理
SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）、CS（片選）。
- SDI – SerialData In,串行數(shù)據(jù)輸入；
- SDO – SerialDataOut,串行數(shù)據(jù)輸出；
- SCLK – Serial Clock,時鐘信號，由主設備產生；
- CS – Chip Select,從設備使能信號，由主設備控制。
其中，CS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號，也就是說只有片選信號為預先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），主芯片對此從芯片的操作才有效。這就使在同一條總線上連接多個SPI設備成為可能。
接下來就負責通訊的3根線了。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。因此，至少需要8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），才能完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。
SCLK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主控設備。這樣傳輸?shù)奶攸c：這樣的傳輸方式有一個優(yōu)點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCLK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設備通過對SCLK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。
通過邏輯分析儀采集 spi 總線數(shù)據(jù)，可以看到四個通道的波形變化，判斷信號的時鐘周期、時鐘相位和極性，并能夠解碼獲取實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令。
SPI還是一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設備的實現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關器件的文檔。
最后，SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數(shù)據(jù)。
I2C 協(xié)議
協(xié)議概括
I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。
主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件．在總線上主和從、發(fā)和收的關系不是恒定的，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向。如果主機要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主機首先尋址從器件，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后由主機終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件．然后主機接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機終止接收過程。在這種情況下．主機負責產生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。
通信原理
SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出．需通過上拉電阻接電源VCC．當總線空閑時．兩根線都是高電平，連接總線的外同器件都是CMOS器件，輸出級也是開漏電路．在總線上消耗的電流很小，因此，總線上擴展的器件數(shù)量主要由電容負載來決定，因為每個器件的總線接口都有一定的等效電容．而線路中電容會影響總線傳輸速度．當電容過大時，有可能造成傳輸錯誤．所以，其負載能力為400pF，因此可以估算出總線允許長度和所接器件數(shù)量。
主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件．在總線上主和從、發(fā)和收的關系不是恒定的，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向。如果主機要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主機首先尋址從器件，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后由主機終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件．然后主機接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機終止接收過程。在這種情況下．主機負責產生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。
邏輯分析儀采集 I2C 總線數(shù)據(jù)，可以看到 SDA 和 SCL 的數(shù)據(jù)波形，查看每次的指令和數(shù)據(jù)、地址等。
CAN 協(xié)議
協(xié)議概括
控制器局域網(wǎng)總線（CAN，Controller Area Network）是一種用于實時應用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。
通信原理
CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。 CAN與I2C總線的許多細節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。
當一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時，轉為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。
USB 協(xié)議
協(xié)議概括
通用串行總線（英語：Universal Serial Bus，縮寫：USB）是連接計算機系統(tǒng)與外部設備的一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術規(guī)范，被廣泛地應用于個人電腦和移動設備等信息通訊產品，并擴展至攝影器材、數(shù)字電視（機頂盒）、游戲機等其它相關領域。
通信原理
USB總線屬于一種輪詢式總線，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一總線動作最多傳送三個數(shù)據(jù)包，包括令牌(Token)、數(shù)據(jù)(Data)、聯(lián)絡(HandShake)。
按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開始時，主機送一個描述傳輸動作的種類、方向、USB設備地址和終端號的USB數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包通常被稱為令牌包(TokenPacket)。USB設備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機到設備就是從設備到主機。
USB 2.0 接口
USB 3.0 接口
在傳輸開始時，由標志包來標志數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端開始發(fā)送包含信息的數(shù)據(jù)包或表明沒有數(shù)據(jù)傳送。接收端也要相應發(fā)送一個握手的數(shù)據(jù)包表明是否傳送成功。發(fā)送端和接收端之間的USB數(shù)據(jù)傳輸，在主機和設備的端口之間，可視為一個通道。USB中有一個特殊的通道一缺省控制通道，它屬于消息通道，設備一啟動即存在，從而為設備的設置、狀態(tài)查詢和輸入控制信息提供一個入口。
UART 協(xié)議
協(xié)議概括
通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸?shù)馁Y料在串行通信與并行通信之間加以轉換。作為把并行輸入信號轉成串行輸出信號的芯片，UART通常被集成于其他通訊接口的連結上。
具體實物表現(xiàn)為獨立的模塊化芯片，或作為集成于微處理器中的周邊設備。一般是RS-232C規(guī)格的，與類似Maxim的MAX232之類的標準信號幅度變換芯片進行搭配，作為連接外部設備的接口。在UART上追加同步方式的序列信號變換電路的產品，被稱為USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)。
通信原理
計算機內部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過UART整理才能進行異步傳輸，其過程為：CPU先把準備寫入串行設備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時內存塊）中，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊列）傳送到串行設備，若是沒有FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem。
UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符一位接一位地傳輸。
其中各位的意義如下：
- 起始位：先發(fā)出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸字符的開始。
- 資料位：緊接著起始位之后。資料位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。
- 奇偶校驗位：資料位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)，以此來校驗資料傳送的正確性。
- 停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結束標志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。 由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。
- 空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當前線路上沒有資料傳送。
- 波特率：是衡量資料傳送速率的指標。表示每秒鐘傳送的符號數(shù)（symbol）。一個符號代表的信息量（比特數(shù)）與符號的階數(shù)有關。例如資料傳送速率為120字符/秒，傳輸使用256階符號，每個符號代表8bit，則波特率就是120baud，比特率是120*8=960BIT/S。
通過邏輯分析儀抓取 uart 總線數(shù)據(jù)，可以清楚的看到數(shù)據(jù)幀格式。
