单片机中如何选用SPI、UART和IIC/SmBus？他们的传输速度和应用场合？

Posted 2023-05-15

SPI和IIC是板上通信,IIC有时也会做板间通信,不过距离甚短,不过超过一米,例如一些触摸屏,手机液晶屏那些很薄膜排线很多用IIC,这两种线属于低速传输

SMBUS较前面两者速度快,但也属于低速通信,是英特尔公司为了节省硬件资源而开发的一种总线标准,一般用于板间通信,但范围不会很广,只用与一台计算机或一组芯片体系结构中,一般在设计中只用作电源总线

UART和,UART就是我们指的串口,速度比上面三者快,最高达100K左右,用与计算机与设备或者计算机和计算之间通信,但有效范围不会很长,约10米左右,UART优点是支持面广,程序设计结构很简单,随着USB的发展,UART也逐渐走向下坡

参考资料：自己的开发经验

参考技术A SPI 和I2C这两种通信方式都是短距离的，芯片和芯片之间或者其他元器件如传感器和芯片之间的通信。
而UART是应用于两个设备之间的通信，如用单片机做好的设备和计算机的通信。这样的通信可以做长距离的。
SmBus有点类似于USB设备跟计算机那样的短距离通信。
简单的狭义的说SPI和I2C是做在电路板上的。而UART和SMBUS是在机器外面连接两个机器的。本回答被提问者采纳

Uart，IIC和SPI的区别

1、UART, SPI, IIC的详解

UART、SPI、IIC是经常用到的几个数据传输标准，下面分别总结一下：

UART（Universal Asynchronous Receive Transmitter）：也就是我们经常所说的串口，基本都用于调试。

主机和从机至少要接三根线，RX、TX和GND。TX用于发送数据，RX用于接受数据（收发不是一根线，所以是全双工方式）。注意A和B通信A.TX要接B.RX，A.RX要接B.TX（A用TX发B当然要用RX来收了！）

如果A是PC机，B是单片机，A和B之间还要接一块电平转换芯片，用于将TTL/CMOS（单片机电平）转换为RS232（PC机电平）。因为TTL/CMOS电平范围是0~1.8/2.5/3.3/5V(不同单片机范围不同)，高电压表示1，低电压表示0。而RS232逻辑电平范围-12V~12V，-5~-12表示高电平，+5~+12V表示低电平（对！你没有听错）。为什么这么设置？这就要追溯到调制解调器出生时代了，有兴趣自己去查资料！

数据协议：以PC机A给单片机B发数据为例（1为高电平，0为低电平）：A.TX to B.RX。刚开始B.RX的端口保持1，当A.TX发来一个0作为起始位告诉B我要发数据了！然后就开始发数据，发多少呢？通常一次是5位、6位、7位、8位，这个双方事先要用软件设置好。PC机一般会用串口助手设置，单片机会在uart的驱动中设置。一小帧数据发送完了以后，A.TX给个高电平告诉B.RX我发完了一帧。如果还有数据，就再给个0然后重复上一步。如果双方约定由校验位，还要在发停止位1之前发送个校验位，不过现在一般都不需要校验位了，因为出错的概率太小了，而且一般用于调试。

一般在串口助手上还有个RTS/CTS流控选项，也叫握手，我从来没用过。搬一段我能理解的介绍：RTS（请求发送），CTS（清除发送）。如果要用这两个功能，那就至少要接5根线：RX+TX+GND+RTS+CTS。当A要发送数据时，置RTS有效（可能是置1），告诉B我要发送数据了。当B准备好接受数据后，置CTS有效，告诉A你可以发了。然后他们就实现了两次握手！挺耽误时间是不是？这个RTS还可以当电源使用，如果你不用它的握手功能，且电源电流在50mA以下时，就可以把它置为高电平可以当电源用喔~！

SPI（Serial Peripheral Interface, 同步外设接口）是由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FRAM和显示驱动器之类的慢速外设器件通信。

SPI是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI 接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备，片选信号低电平有效。如没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由SDO 输出，SDI 输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO 输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI 读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。

 

IIC（Inter Integrated Circuit）：两根线：一个时钟线SCL和一个数据线SDA。只有一根数据线，所以是半双工通信。接线不难，而且两根线上也可以挂很多设备（每个设备的IIC地址不同），数据协议比较麻烦：

还是假设A给B发数据（这里A.SCL接B.SCL, A.SDA接B.SDA）。起初SDA和SCL上的电平都为高电平。然后A先把SDA拉低，等SDA变为低电平后再把SCL拉低(以上两个动作构成了iic的起始位)，此时SDA就可以发送数据了，与此同时，SCL发送一定周期的脉冲（周期和PCLK有关，一般会在IIC的控制寄存器中设置）。SDA发送数据和SCL发送脉冲的要符合的关系是：SDA必须在SCL是高电平是保持有效，在SCL是低电平时发送下一位（SCL会在上升沿对SDA进行采样）。规定一次必须传8位数据，8位数据传输结束后A释放SDA，但SCL再发一个脉冲（这是第九个脉冲），这会触发B通过将SDA置为低电平表示确认（该低电平称为ACK）。最后SCL先变为高电平，SDA再变为高电平（以上两个动作称为结束标志）如果B没有将SDA置为0，则A停止发送下一帧数据。IIC总线（即SDA和SCL）上的每个设备都有唯一地址，数据包传输时先发送地址位，接着才是数据。一个地址字节由7个地址位（可以挂128个设备）和1个指示位组成（7位寻址模式）。指示位是0表示写，1表示读。还有10位寻址模式，使用两个字节来保存地址，第一个字节的最低两位和第二个字节的8位合起来构成10位地址。

在I2C总线的应用中应注意的事项总结为以下几点 : 
1） 严格按照时序图的要求进行操作， 
2） 若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻。 
3） 程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时。 
4） 为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断EEPROM是否被意外改写。

关于IIC总线的操作注意事项

1、对IIC总线的一次操作完之后，需要等待一段时间才能进行第二次操作。否则是启动不了总线的：）
2、在时钟线（SCL）为高电平的时候，一定不能动数据线（SDA）状态，除非是启动或者结束总线

 

2、UART, SPI, IIC的区别与联系：

第一个区别当然是名字：

UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)
SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口);
I2C(INTER IC BUS)


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。

UART一帧可以传5/6/7/8位，IIC必须是8位。IIC和SPI都从最高位开始传。

SPI用片选信号选择从机，IIC用地址选择从机。

 

下面主要总结一下IIC和SPI总线的异同点：

1 iic总线不是全双工，2根线SCL SDA。spi总线实现全双工，4根线SCK CS MOSI MISO

2 iic总线是多主机总线，通过SDA上的地址信息来锁定从设备。spi总线只有一个主设备，主设备通过CS片选来确定从设备

3 iic总线传输速度在100kbps-4Mbps。spi总线传输速度更快，可以达到30MHZ以上。

4 iic总线空闲状态下SDA SCL都是高电平。spi总线空闲状态MOSI MISO也都是 SCK是有CPOL决定的

5 iic总线scl高电平时sda下降沿标志传输开始，上升沿标志传输结束。spi总线cs拉低标志传输开始，cs拉高标志传输结束

6 iic总线是SCL高电平采样。spi总线因为是全双工，因此是沿采样，具体要根据CPHA决定。一般情况下master device是SCK的上升沿发送，下降沿采集

7 iic总线和spi总线数据传输都是MSB在前，LSB在后（串口是LSB在前）

8 iic总线和spi总线时钟都是由主设备产生，并且只在数据传输时发出时钟

9 iic总线读写时序比较固定统一，设备驱动编写方便。spi总线不同从设备读写时序差别比较大，因此必须根据具体的设备datasheet来实现读写，相对复杂一些。

 

参考：

https://blog.csdn.net/sinat_20265495/article/details/72417137

https://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/8237881