UART、SPI 和 I2C深度探索

通信接口是电子设备之间数据交换的基础，常见的接口如 UART、SPI 和 I2C 各有独特的技术特性和适用场景。以下是对这些接口的详细技术分析。

UART 是一种异步串行通信协议，广泛用于简单的点对点通信。

波特率
波特率是 UART 通信的核心参数，表示每秒传输的位数，常见值包括 9600、19200、38400、57600 和 115200 bps。波特率的选择需要权衡传输速度和可靠性。例如，低波特率（如 9600 bps）适用于长距离通信，因为信号衰减和噪声干扰较少；而高波特率（如 115200 bps）适合短距离高速传输，但对时钟精度要求更高。
数据帧格式
UART 的数据帧由以下部分组成：
- 起始位：1 位，标志数据帧开始，通常为低电平。
- 数据位：5 到 8 位，承载实际数据，8 位最为常见。
- 奇偶校验位：可选，用于错误检测，可以是奇校验、偶校验或无校验。
- 停止位：1 或 2 位，标志数据帧结束，通常为高电平。
  例如，一个典型配置可能是“8N1”，即 8 位数据、无校验、1 位停止位。
流控制
UART 支持两种流控制机制：
- 硬件流控制：使用 RTS（请求发送）和 CTS（允许发送）信号线，避免数据溢出。
- 软件流控制：使用 XON/XOFF 字符控制数据流，适用于无额外引脚的场景。
错误检测
UART 的错误检测主要依赖奇偶校验，但仅能发现错误，无法纠正。对于更高可靠性需求的应用，可引入 CRC（循环冗余校验）等机制。

SPI 是一种同步串行通信协议，以其高速度和简单性著称，适用于主从架构。

时钟极性和相位
SPI 有四种工作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）定义：
- CPOL=0, CPHA=0：时钟空闲为低电平，数据在上升沿采样。
- CPOL=0, CPHA=1：时钟空闲为低电平，数据在下降沿采样。
- CPOL=1, CPHA=0：时钟空闲为高电平，数据在下降沿采样。
- CPOL=1, CPHA=1：时钟空闲为高电平，数据在上升沿采样。
  这些模式需在主从设备间保持一致。
传输模式
SPI 支持：
- 全双工：MOSI（主出从入）和 MISO（主入从出）同时传输数据。
- 半双工：MOSI 或 MISO 交替传输。
- 单工：仅使用一条数据线传输。
片选信号
SPI 通过片选信号（SS/CS）选择从设备。主设备拉低 SS 激活从设备，拉高 SS 释放从设备。多从设备场景下，每个从设备需独立 SS 引脚。
数据传输
SPI 以字节为单位传输，SCLK（时钟信号）控制传输速率，无需帧间间隔，适合高速连续数据传输。

I2C 是一种多主多从的串行通信协议，以引脚少和灵活性著称。

总线结构
I2C 使用两条线：
- SDA（数据线）：传输数据。
- SCL（时钟线）：同步时钟。
  两者采用开漏设计，需上拉电阻维持高电平。
地址机制
I2C 支持：
- 7 位地址：范围 0x00 到 0x7F，支持 128 个设备。
- 10 位地址：范围 0x000 到 0x3FF，支持更多设备。
  主设备通过地址帧选择从设备。
通信过程
- 起始条件：SDA 从高到低跳变，SCL 保持高电平。
- 数据传输：每字节后，从设备发送 ACK（应答位，低电平表示成功）。
- 停止条件：SDA 从低到高跳变，SCL 保持高电平。
时钟同步
I2C 支持多主竞争，总线上的主设备通过拉低 SCL 同步时钟，确保通信稳定。
错误检测
通过 ACK 机制检测传输错误，若从设备未应答（NACK），主设备可重试或中止通信。