UART、SPI 和 I2C 串行通信的工作原理，以及我們為何仍在使用它們

無論是計算機外圍設備、智能電器、物聯網 (IoT) 設備，還是電子測量工具，它們都使用串行通信協議將不同的電子元件連接在一起。

這些組件通常由微控制器和從屬模塊組成，例如指紋傳感器、ESP8266（Wi-Fi 模塊）、伺服器和串行顯示器。

這些設備使用不同種類的通信協議。下面您將了解一些最流行的串行通信協議、它們的工作原理、它們的優點以及它們為什麼仍然被使用。

什麼是串行通信？

自 1838 年莫爾斯電碼發明以來，串行通信協議一直存在。今天，現代串行通信協議使用相同的原理。通過將兩個導體反复短接在一起，在單根導線上生成和傳輸信號。這條短線就像一個開關；它打開（高）和關閉（低），提供二進制信號。該信號的傳輸和接收方式取決於所使用的串行通信協議的類型。

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隨著晶體管的發明和隨之而來的創新，工程師和修補匠都使處理單元和存儲器更小、更快、更節能。這些變化要求總線通信協議在技術上與所連接的組件一樣先進。因此發明了串行協議，例如 UART、I2C 和 SPI。儘管這些串行協議已有幾十年的歷史，但它們仍然是微控制器和裸機編程的首選。

UART（通用異步收發器）

UART 協議是我們今天仍在使用的最古老但最可靠的串行通信協議之一。該協議使用稱為 Tx（發送）和 Rx（接收）的兩條線來讓兩個組件進行通信。

要傳輸數據，發送器和接收器都必須同意五種常見配置，它們是：

• 波特率：數據傳輸速度的傳輸速度。
• 數據長度：接收方將保存到其寄存器中的約定位數。
• 起始位：一個低信號，讓接收器知道何時將要傳輸數據。
• 停止位：一個高電平信號，讓接收器知道最後一位（最高有效位）何時已發送。
• 奇偶校驗位：用於檢查發送的數據是否正確或損壞的高或低信號。

由於 UART 是一種異步協議，它沒有自己的時鐘來調節數據傳輸速度。作為替代方案，它確實在傳輸比特時利用波特率進行計時。UART 常用的波特率為 9600 波特，即每秒 9600 位的傳輸速率。

如果我們進行數學運算並將一位除以 9600 波特，我們就可以計算出一位數據傳輸到接收器的速度。

1/9600 = 104 微秒

這意味著我們的 UART 設備將開始計數 104 微秒，以了解下一位何時傳輸。

當連接了 UART 設備時，默認信號總是升高到高電平。當它檢測到低頻信號時，接收器將開始計數 104 微秒加上另外 52 微秒，然後才開始將位保存到其寄存器（存儲器）中。

由於已經約定了八位是數據長度，一旦它保存了八位數據，它就會開始檢查奇偶校驗以檢查數據是奇數還是偶數。奇偶校驗後，停止位會發出一個高電平信號，通知設備整個八位數據已成功傳輸到接收器。

作為僅使用兩根線的最簡約的串行協議，UART 目前普遍用於智能卡、SIM 卡和汽車。

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SPI（串行外設接口）

SPI 是另一種流行的串行協議，用於實現約 20Mbps 的更快數據速率。它總共使用了四根線，分別是SCK（串行時鐘線）、MISO（Master Out Slave In）、MOSI（Master In Slave Out）和SS/CS（Chip Select）。與 UART 不同，SPI 使用主從格式來控制多個從設備，只需一個主設備。

MISO 和 MOSI 的作用類似於 UART 的 Tx 和 Rx，用於發送和接收數據。Chip Select 用於選擇主機要與哪個從機通信。

由於 SPI 是一種同步協議，它使用來自主設備的內置時鐘來確保主設備和從設備運行在相同的頻率上。這意味著兩個設備不再需要協商波特率。

該協議從主設備通過將其信號降低到連接到從設備的特定 SS/CK 來選擇從設備開始。當從設備接收到低電平信號時，它開始監聽 SCK 和 MOSI。然後，主機在發送包含數據的位之前發送一個起始位。

MOSI 和 MISO 都是全雙工的，這意味著它們可以同時傳輸和接收數據。

SPI 能夠連接到多個從設備、全雙工通信以及比 I2C 等其他同步協議更低的功耗，因此用於存儲設備、數字存儲卡、ADC 到 DAC 轉換器和晶體存儲器顯示器。

I2C（內部集成電路）

I2C 是另一種類似 SPI 的同步串行協議，但有幾個優點。這些包括具有多個主設備和從設備的能力、簡單的尋址（不需要片選）、在各種電壓下運行以及僅使用連接到兩個上拉電阻的兩條線。

I2C 常用於許多物聯網設備、工業設備和消費電子產品。

I2C 協議中的兩個引腳是發送和接收數據的 SDA（串行數據線）和用作時鐘的 SCL（串行時鐘線）引腳。

1. 該協議從主機從其 SDA 引腳發送一個起始位（低）開始，然後是一個選擇從機的七位地址，以及一個用於選擇讀或寫的地址。
2. 在接收到起始位和地址後，從機向主機發送一個確認位並開始監聽 SCL 和 SDA 以獲取傳入傳輸。
3. 一旦主機收到此信息，它就知道已與正確的從機建立連接。主機現在將從它想要訪問的從機中選擇哪個特定寄存器（存儲器）。它通過發送另外八位指定要使用的寄存器來實現。
4. 收到地址後，從設備現在準備好選擇寄存器，然後再向主設備發送另一個確認。
5. 在選擇了要使用的特定從設備及其寄存器中的哪些之後，主設備最終將數據位發送到從設備。
6. 數據發送後，在主機以停止位（高）結束之前，最後一個確認位被發送到主機。

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為什麼串行通信會繼續存在

隨著並行和許多無線協議的興起，串行通信從未停止流行。通常只使用兩到四根線來傳輸和接收數據，串行協議是電子設備的基本通信模式，只有幾個端口可供備用。

另一個原因是它的簡單性轉化為可靠性。一次只用幾根線發送數據，串行已證明其可靠性可以發送完整的數據包，而不會在傳輸時丟失或損壞。即使在高頻和遠程通信中，串行協議仍然勝過當今可用的許多現代並行通信協議。

儘管許多人可能認為 UART、SPI 和 I2C 等串行通信具有陳舊和過時的缺點，但事實仍然是它們幾十年來已經證明了其可靠性。如此古老而沒有任何真正替代品的協議只是表明它們實際上是必不可少的，並且在可預見的未來將繼續用於電子產品。