串行通信协议汇总
以下内容涉及到I2C、SPI、UART等串行通信协议
一、I2C
1、I2C总线定义
I2C是一种串行总线，只用时钟、数据线实现半双工串行通信，可实现多主机外挂多从机，具有总线总裁和高低速器件同步功能。一般速度在100K-400Kbps，最高为3.5M。
I2C总线通过上拉电阻接正电源，当总线空闲时，总线均为高，因此从器件释放总线即把输出拉为高阻态，总线才能被其他器件使用。当总线任意器件为输出为低，总线即为低，各器件SDA SCL为线与关系。
I2C总线上所有器件都有唯一地址，地址为7bit数据，即可外挂128个从器件。主机即可作为发送器，发送数据给从器件，也可从从器件接收数据。
2、I2C总线协议
起止信号：由主机产生，SCL=1 && SDA_ neg =1表示起始信号，总线处于被占用状态；SCL=1 && SDA_pos=1表示终止信号，总线处于被空闲状态。
等待状态：从机接收完一字节数据后，如果从机要完成其他功能才能接收下一个完整数据，可以将SCL拉低保持低电平，使主机挂起进入等待状态，等释放SCL后数据方可继续传送。
有效数据：只在SCL为低时数据可发生变化；SCL为高时数据必须保持稳定。否则将会使从机器认为是起止信号。
3、数据传送格式
字节传送+应答：每个字节必须8位，从MSB先传送，每传送一个字节后必须跟一位应答，即一帧共9位。若从机无法应答，则需将SDA拉高，而由主机产生终止信号结束总线数据传送。
数据帧格式：（起始）+（地址+传送方向+应答）+（数据+应答）+…..+（结束）
三种形式
a、主机向从机发送数据
从机根据地址判断是否为自己的接收数据，应答都是从机产生。
b、从机向主机发送数据
阴影为主机应答，白色为从机应答，最后的主机非应答表示已接收完数据，等待从机释放总线，并产生结束信号。
c、主向从—>从向主
传送过程需要改变方向，不需要结束信号，直接再产生起始信号即可。
4、时钟同步
所有主机在SCL线上产生自己的时钟来传输I2C总线报文，时钟同步通过线与连接到SCL 线来执行，SCL线总是被有最长低电平周期的器件保持低电平，而低电平周期短的器件会进入高电平等待状态。
5、仲裁
主机只能在总线空闲时启动传输，多主机可能同时产生起始条件。
仲裁在SDA线上发生，由于SDA也是线与逻辑，在其他主机发送低电平时，发送高电平的主机将会断开它的数据输出级，因为总线上点平与它自己的点平不同。
丢失仲裁的主机可以产生时钟脉冲直到丢失仲裁的该字节末尾。
二、SPI
1、SPI协议
由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，Serial Peripheral Interface，由支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。
时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps 的水平。
（1）MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入
（2）MISO：主器件数据输入，从器件数据输出
（3）SCLK ：时钟信号，由主器件产生
（4）/SS：从器件使能信号，由主器件控制
2、SPI工作方式
SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。
时钟极性（CPOL）：CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平
时钟相位（CPHA）：CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(数据被采样。
3、SPI时序
以CPOL＝0，CPHA＝0为例介绍SPI时序
主器件的输出口（MOSI）输出的数据bit1，比SCK的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL 信号没有关系。从器件是在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有起效。
从机接收时序，在上跳沿来前半个时钟，第一bit数据已准备好。
从机发送时序，在片选结束后，从机就发送第一bit数据
从机8bit数据接收完，发送第二个byte数据时序
三、UART
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。
异步通信协议的实例——起止式异步协议
特点与格式：
其中异步串行通信采用起止式协议，特点是：一个字符一个字符的传，每个字符一位一位串，每个字符由一个起始位开始，1-2位停止位结束，数据位为5-8位，可以跟一位校验位。每个字符间间隔不固定。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。
从图中可以看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起始式协议。传送时，数据的低位在前，高位在后。
异步通信信息格式如表3.1所示
起始位逻辑0 1位
数据位逻辑0/1 5，6，7，8位
校验位逻辑0/1 1位
停止位逻辑1 1、1.5、2位
空闲位逻辑1 任意数量
接收过程：接收端是以系统时钟和波特率因子决定一位数据的时间长度，如波特率为16，则一位数据长度为16个系统时钟。开始通信，以检测到下跳沿开始对时钟计数；计数为8时，再次检测，如为低，则确定为起始位；在进行计数，每计到16则取数据位，依次将全部数据位取出；检测校验位；接收停止位，若此时接收不为高，则报错，若接收到停止位，则对全部数据校验，无错，则将数据由移位寄存器送到数据输入寄存器。
发送过程：初始化后，发送逻辑1，并等待数据发送；有数据要发送时，先发送起始位0，然后从低位D0开始逐位发送数据位；接着发送校验位；最后发送停止位1；发送空闲位1，等待下一字符发送。
接受过程工作在系统时钟下，以系统时钟对数据进行采样，由于系统时钟远大于串行通信速率，因此不会出现采样错误，只需与计数器一起完成采样过程。
发送过程分为加载和发送，加载过程是指将起始位、数据位、校验位和停止位加载到移位寄存器上，加载过程工作在系统时钟下，远大于RS232串行通信速率，因此发送过程需要修改时钟模式，使移位寄存器工作在波特率时钟下，将数据以波特率速率发送到RS232的TXD 端。