单片机开发中UART、I2C等知识总结
在单片机开发中，uart、i2c、rs485等普遍在用，对它们的认识可能模棱两可，本文把它们整理了一下。本文较长，阅读时间大约10分钟。
uart通用异步收发器
uart口指的是一种物理接口形式(硬件)。
uart是异步，全双工串口总线。它比同步串口复杂很多。有两根线，一根txd用于发送，一根rxd用于接收。
uart的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输，而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置，stm32相关实例:按下按键，通过串口发送数据实例。
对于发送设备和接收设备来说，两者的串行通信配置应该设置为完全相同。
起始位：表示数据传输的开始，电平逻辑为“0” 。
数据位：可能值有5、6、7、8、9，表示传输这几个bit 位数据。一般取值为8，因为一个ascii 字符值为8 位。
奇偶校验位：用于接收方对接收到的数据进行校验，校验“1” 的位数为偶数(偶校验) 或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性，使用时不需要此位也可以。
停止位：表示一帧数据的结束。电平逻辑为“1”。
如果用通用io口模拟uart总线，则需一个输入口，一个输出口。
i2c总线
i2c总线是一种同步、半双工双向的两线式串口总线。它由两条总线组成：串行时钟线scl和串行数据线sda。
scl线——负责产生同步时钟脉冲。
sda线——负责在设备间传输串行数据。
该总线可以将多个i2c设备连接到该系统上。连接到i2c总线上的设备既可以用作主设备，也可以用作从设备。
主设备负责控制通信，通过对数据传输进行初始化，来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。从设备则是等待来自主设备的命令，并响应命令接收。
主设备和从设备都可以作为发送设备或接收设备。无论主设备是作为发送设备还是接收设备，同步时钟信号都只能由主设备产生。
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)。
spi串行外设接口
spi总线是同步、全双工双向的4线式串行接口总线。它是由“单个主设备+多个从设备”构成的系统。
在系统中，只要任意时刻只有一个主设备是处于激活状态的，就可以存在多个spi主设备。常运用于ad转换器、eeprom、flash、实时时钟、数字信号处理器和数字信号解码器之间实现通信。
为了实现通信，spi共有4条信号线，分别是：
主设备出、从设备入（master out slave in，mosi）：由主设备向从设备传输数据的信号线，也称为从设备输入（slave input/slave data in，si/sdi）。
主设备入、从设备出（master in slave out，miso）：由从设备向主设备传输数据的信号线，也称为从设备输出（slave output/slave data out，so/sdo）。
串行时钟（serial clock，sclk）：传输时钟信号的信号线。
从设备选择（slave select，ss）：用于选择从设备的信号线，低电平有效。
spi 的工作时序模式由cpol（clock polarity，时钟极性）和cpha（clock phase，时钟相位）之间的相位关系决定，cpol 表示时钟信号的初始电平的状态，cpol 为0 表示时钟信号初始状态为低电平，为1 表示时钟信号的初始电平是高电平。cpha 表示在哪个时钟沿采样数据，cpha 为0 表示在首个时钟变化沿采样数据，而cpha 为1 则表示在第二个时钟变化沿采样数据。
uart、spi、i2c比较
i2c线更少，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，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。
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，i2c必须是8位。i2c和spi都从最高位开始传。
spi用片选信号选择从机，i2c用地址选择从机。
rs232串口通信
传输线有两根，地线一根。电平是负逻辑：
-3v~-15v逻辑“1”，+3v~+15v逻辑“0”。
rs-232串口通信传输距离15米左右。可做到双向传输，全双工通讯，传输速率低20kbps 。
下图是db9公头和母头的定义，一般用的最多的是rxd、txd、gnd三个信号。
ttl和rs-232互转
单片机接口一般是ttl电平，如果接232电平的外设，就需要加ttl转rs232的模块。如下图，可用芯片max232进行转换。
rs422串口通信
rs-422有4根信号线：两根发送、两根接收和一根地线，是全双工通信。
它有一个主设备，其余为从设备，从设备之间不能通信，所以rs-422支持点对多的双向通信。
rs485串口通信
rs-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。
采用两线半双工传输，最大速率10mb/s，电平逻辑是两线的电平差来决定的，提高抗干扰能力，传输距离长(几十米到上千米)。
+2v~+6v逻辑“1”，-2~-6v逻辑“0”。
ttl转成rs-485很常见，比如max485，参考电路如下
re引脚：接收器输出使能（低电平有效）。
de引脚：发送器输出使能（高电平有效）。可以直接通过mcu的io端口控制。
ttl
嵌入式里面说的串口，一般是指uart口。4个pin（vcc,gnd,rx,tx），用ttl电平。
pc中的com口即串行通讯端口，简称串口。9个pin，用rs232电平。
串口、com口是指的物理接口形式(硬件)。而ttl、rs-232、rs-485是指电平标准(电信号)。
单片机与pc通讯示意图如下：
can总线
can是控制器局域网络的简称，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。can总线的功能复杂且智能。主要用于汽车通信。
can总线网络主要挂在can_h和can_l，各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，为了避免信号的反射和干扰，还需要在can_h和can_l之间接上120欧姆的终端电阻。
每一个设备既可做主设备也可做从设备。can总线的通信距离可达10千米（速率低于5kbps），速度可达1mbps（通信距离小于40m）。
can电平逻辑
can总线采用线与的规则进行总线冲裁，1&0为0，所以称0为显性，1为隐性。
从电位上看，因为规定高电位为0，低电位为1，同时发出信号时实际呈现为高电位，从现象上看就像0覆盖了1，所以称0为显性，1为隐性。
usb通信串行总线
usb接口最少有四根线，其中有两根是数据线，而所有的usb数据传输都是通过这两根线完成。它的通信远比串口复杂的多。
两根数据线采用差分传输，即需要两根数据线配合才能传输一个bit，因此是半双工通信，同一时间只能发送或者接收。
usb 规定，如果电压电平不变，代表逻辑1；如果电压电平变化，则代表逻辑0。
usb转ttl
一般usb转串口都是用ch340g芯片。
用串口通信比usb简单，因为串口通信没有协议。
sd卡
sd卡是一种存储卡，可用于手机作为内存卡使用。
嵌入式中，单片机与sd卡通信有两种模式：
spi总线通信模式
sd总线通信模式
值得注意的是，sd总线模式中有4条数据线；spi总线模式中仅有一条数据线（mosi和miso不能同时读数据，也不能同时写数据）；这样在嵌入式中，单片机与sd卡通信时采用sd总线模式比spi总线模式速度快几倍。
1-wire总线
1-wire由美国dallas(达拉斯)公司推出，是一种异步半双工串行传输。采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。
单总线的数据传输速率一般为16.3kbit/s，最大可达142 kbit/s，通常情况下采用100kbit/s以下的速率传输数据。
1-wire线端口为漏极开路或三态门的端口，因此一般需要加上拉电阻rp，通常选用5k~10kω
主要应用在：打印墨盒或医疗消耗品的识别；印刷电路板、配件及外设的识别和认证。
dma直接存储器访问
dma是stm32内的一个硬件模块，相关文章:详解stm32中的dma原理。它独立于cpu，在外围设备和内存之间进行数据传输，解放了cpu，可使cpu的效率大大提高。
它可以高速访问外设、内存，传输不受cpu的控制，并且是双向通信。因此，使用dma可以大大提高数据传输速度，这也是arm架构的一个亮点——dma总线控制。
dma就相应于一条高速公路，专用、高速的特性。如果不使用dma，也可以达到目的，只是达到目的的时间比较长。
ethernet以太网
以太网是目前应用最普遍的局域网技术。
大家知道，以太网接口可分为协议层和物理层。
协议层是由一个叫mac(media access layer)控制器的单一模块实现。
物理层由两部分组成，即phy(physical layer)和传输器。
目前很多主板的南桥芯片已包含了以太网mac控制功能，只是未提供物理层接口。因此，需外接phy芯片以提供以太网的接入通道。
网络变压器的作用是：
耦合差分信号，抗干扰能力更强
变压器隔离网线端不同设备的不同电平，隔离直流信号
以太网接口参考电路，如下图所示。
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uart通用异步收发器
uart口指的是一种物理接口形式(硬件)。
uart是异步，全双工串口总线。它比同步串口复杂很多。有两根线，一根txd用于发送，一根rxd用于接收。
uart的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输，而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置，stm32相关实例:按下按键，通过串口发送数据实例。
对于发送设备和接收设备来说，两者的串行通信配置应该设置为完全相同。
起始位：表示数据传输的开始，电平逻辑为“0” 。
数据位：可能值有5、6、7、8、9，表示传输这几个bit 位数据。一般取值为8，因为一个ascii 字符值为8 位。
奇偶校验位：用于接收方对接收到的数据进行校验，校验“1” 的位数为偶数(偶校验) 或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性，使用时不需要此位也可以。
停止位：表示一帧数据的结束。电平逻辑为“1”。
如果用通用io口模拟uart总线，则需一个输入口，一个输出口。
i2c总线
i2c总线是一种同步、半双工双向的两线式串口总线。它由两条总线组成：串行时钟线scl和串行数据线sda。
scl线——负责产生同步时钟脉冲。
sda线——负责在设备间传输串行数据。
该总线可以将多个i2c设备连接到该系统上。连接到i2c总线上的设备既可以用作主设备，也可以用作从设备。
主设备负责控制通信，通过对数据传输进行初始化，来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。从设备则是等待来自主设备的命令，并响应命令接收。
主设备和从设备都可以作为发送设备或接收设备。无论主设备是作为发送设备还是接收设备，同步时钟信号都只能由主设备产生。
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)。
spi串行外设接口
spi总线是同步、全双工双向的4线式串行接口总线。它是由“单个主设备+多个从设备”构成的系统。
在系统中，只要任意时刻只有一个主设备是处于激活状态的，就可以存在多个spi主设备。常运用于ad转换器、eeprom、flash、实时时钟、数字信号处理器和数字信号解码器之间实现通信。
为了实现通信，spi共有4条信号线，分别是：
主设备出、从设备入（master out slave in，mosi）：由主设备向从设备传输数据的信号线，也称为从设备输入（slave input/slave data in，si/sdi）。
主设备入、从设备出（master in slave out，miso）：由从设备向主设备传输数据的信号线，也称为从设备输出（slave output/slave data out，so/sdo）。
串行时钟（serial clock，sclk）：传输时钟信号的信号线。
从设备选择（slave select，ss）：用于选择从设备的信号线，低电平有效。
spi 的工作时序模式由cpol（clock polarity，时钟极性）和cpha（clock phase，时钟相位）之间的相位关系决定，cpol 表示时钟信号的初始电平的状态，cpol 为0 表示时钟信号初始状态为低电平，为1 表示时钟信号的初始电平是高电平。cpha 表示在哪个时钟沿采样数据，cpha 为0 表示在首个时钟变化沿采样数据，而cpha 为1 则表示在第二个时钟变化沿采样数据。
uart、spi、i2c比较
i2c线更少，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，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。
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，i2c必须是8位。i2c和spi都从最高位开始传。
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rs232串口通信
传输线有两根，地线一根。电平是负逻辑：
-3v~-15v逻辑“1”，+3v~+15v逻辑“0”。
rs-232串口通信传输距离15米左右。可做到双向传输，全双工通讯，传输速率低20kbps 。
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ttl和rs-232互转
单片机接口一般是ttl电平，如果接232电平的外设，就需要加ttl转rs232的模块。如下图，可用芯片max232进行转换。
rs422串口通信
rs-422有4根信号线：两根发送、两根接收和一根地线，是全双工通信。
它有一个主设备，其余为从设备，从设备之间不能通信，所以rs-422支持点对多的双向通信。
rs485串口通信
rs-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。
采用两线半双工传输，最大速率10mb/s，电平逻辑是两线的电平差来决定的，提高抗干扰能力，传输距离长(几十米到上千米)。
+2v~+6v逻辑“1”，-2~-6v逻辑“0”。
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re引脚：接收器输出使能（低电平有效）。
de引脚：发送器输出使能（高电平有效）。可以直接通过mcu的io端口控制。
ttl
嵌入式里面说的串口，一般是指uart口。4个pin（vcc,gnd,rx,tx），用ttl电平。
pc中的com口即串行通讯端口，简称串口。9个pin，用rs232电平。
串口、com口是指的物理接口形式(硬件)。而ttl、rs-232、rs-485是指电平标准(电信号)。
单片机与pc通讯示意图如下：
can总线
can是控制器局域网络的简称，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。can总线的功能复杂且智能。主要用于汽车通信。
can总线网络主要挂在can_h和can_l，各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，为了避免信号的反射和干扰，还需要在can_h和can_l之间接上120欧姆的终端电阻。
每一个设备既可做主设备也可做从设备。can总线的通信距离可达10千米（速率低于5kbps），速度可达1mbps（通信距离小于40m）。
can电平逻辑
can总线采用线与的规则进行总线冲裁，1&0为0，所以称0为显性，1为隐性。
从电位上看，因为规定高电位为0，低电位为1，同时发出信号时实际呈现为高电位，从现象上看就像0覆盖了1，所以称0为显性，1为隐性。
usb通信串行总线
usb接口最少有四根线，其中有两根是数据线，而所有的usb数据传输都是通过这两根线完成。它的通信远比串口复杂的多。
两根数据线采用差分传输，即需要两根数据线配合才能传输一个bit，因此是半双工通信，同一时间只能发送或者接收。
usb 规定，如果电压电平不变，代表逻辑1；如果电压电平变化，则代表逻辑0。
usb转ttl
一般usb转串口都是用ch340g芯片。
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sd卡
sd卡是一种存储卡，可用于手机作为内存卡使用。
嵌入式中，单片机与sd卡通信有两种模式：
spi总线通信模式
sd总线通信模式
值得注意的是，sd总线模式中有4条数据线；spi总线模式中仅有一条数据线（mosi和miso不能同时读数据，也不能同时写数据）；这样在嵌入式中，单片机与sd卡通信时采用sd总线模式比spi总线模式速度快几倍。
1-wire总线
1-wire由美国dallas(达拉斯)公司推出，是一种异步半双工串行传输。采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。
单总线的数据传输速率一般为16.3kbit/s，最大可达142 kbit/s，通常情况下采用100kbit/s以下的速率传输数据。
1-wire线端口为漏极开路或三态门的端口，因此一般需要加上拉电阻rp，通常选用5k~10kω
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它可以高速访问外设、内存，传输不受cpu的控制，并且是双向通信。因此，使用dma可以大大提高数据传输速度，这也是arm架构的一个亮点——dma总线控制。
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大家知道，以太网接口可分为协议层和物理层。
协议层是由一个叫mac(media access layer)控制器的单一模块实现。
物理层由两部分组成，即phy(physical layer)和传输器。
目前很多主板的南桥芯片已包含了以太网mac控制功能，只是未提供物理层接口。因此，需外接phy芯片以提供以太网的接入通道。
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耦合差分信号，抗干扰能力更强
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