SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）

SPI是一種高速、全雙工、同步、串行通信總線，3~4線接口，以主從模式工作，收發獨立，可以實現多個SPI設備互相連接。

提供SPI串行時鐘的SPI設備為SPI主機或主設備(Master)，其他設備為SPI從機或從設備(Slave)。SPI總線由三條信號線組成，分別是SCLK（串行時鐘）、SDI（串行數據輸入）、SDO（串行數據輸出）。當有多個從設備時，還可以增加一條從設備選擇線，CS是控制芯片是否被選中的，這樣就可以實現在同一總線上多個SPI設備互相連接。

如果用GPIO口模擬SPI總線，必須要有一個輸出口(SDO)，一個輸入口(SDI)，另一個口則視實現的設備類型而定，如果要實現主從設備，則需輸入輸出口，若只實現主設備，則需輸出口即可，若只實現從設備，則只需輸入口即可。
SDI – 主設備數據輸入，從設備數據輸出；
SDO – 主設備數據輸出，從設備數據輸入；
SCLK – 時鐘信號，由主設備產生；
CS – 從設備使能信號，由主設備控制。

SPI 是一種允許一個主設備啟動一個與從設備同步通訊的協議，從而完成數據的交換。SPI是串行協議，也就是說數據是一位一位傳輸的，這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，SDI、SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過 SDO線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數據的傳輸。這樣的傳輸方式有一個優點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續傳送至少8位數據，而SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCLK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據。也就是說，主設備通過對SCLK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。

SPI還是一個數據交換協議：因為SPI的數據輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數據的輸入和輸出。不同SPI設備的實現方式不盡相同，主要是數據改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關器件的文檔。

最后，SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數據。

在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。在多個從設備的系統中，每個從設備需要獨立的使能信號，硬件上比I2C系統要稍微復雜一些。SPI接口主要應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發器）

UART總線是兩線、全雙工、異步串口，速度慢。比SPI、I2C這兩種同步串口的結構要復雜很多，一般由波特率產生器（產生的波特率等于傳輸波特率的16倍）、UART接收器、UART發送器組成，硬件上有兩根線，一根用于發送，一根用于接收。數據是異步傳輸的，對雙方的時序要求比較嚴格，通信速度也不是很快，在多機通信上面用的最多。如果用GPIO口模擬UART總線，則需一個輸入口，一個輸出口。

UART是用于控制計算機與串行設備的芯片，它提供了RS-232C數據終端設備接口，這樣計算機就可以和調制解調器或其它使用RS-232C接口的串行設備通信了。大多數計算機包含兩個基于RS232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協議；很多GPIB兼容的設備也帶有RS-232口。同時，串口通信協議也可以用于獲取遠程采集設備的數據。串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發送和接收字節。盡管比按字節（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發送數據的同時用另一根線接收數據。它很簡單并且能夠實現遠距離通信。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：
將由計算機內部傳送過來的并行數據轉換為輸出的串行數據流；
將計算機外部來的串行數據轉換為字節，供計算機內部使用并行數據的器件使用；
在輸出的串行數據流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數據流進行奇偶校驗；
在輸出數據流中加入啟停標記，并從接收數據流中刪除啟停標記；
處理由鍵盤或鼠標發出的中斷信號；
可以處理計算機與外部串行設備的同步管理問題；
有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數據的緩沖區，現在比較新的UART是16550，它可以在計算機需要處理數據前在其緩沖區內存儲16字節數據。

I2C（Inter－Integrated Circuit）

I2C總線是雙向、兩線(SCL、SDA)、同步、串行、多主控（multi-master）接口標準，具有競爭檢測和總線仲裁機制，非常適合在器件之間進行近距離、非經常性的數據通信。在I2C的協議體系中，傳輸數據時都會帶上目的設備的設備地址，因此可以實現設備組網。

如果用GPIO口模擬I2C總線，并實現雙向傳輸，則需一個輸入輸出口(SDA)，另外還需一個輸出口(SCL)。

I2C總線最主要的優點是其簡單性和有效性。I2C能用于替代標準的并行總線，能連接各種集成電路和功能模塊。只要求兩條總線線路：一條串行數據線SDA 一條串行時鐘線SCL。

I2C是多主控總線，總線上每一個設備都有一個獨一無二的地址，根據設備自己的能力，任何能夠進行發送和接收的設備都能像主控器一樣工作，并控制總線。當然，在任何時間點上只能有一個主控，如果兩個或更多主機同時初始化數據傳輸可以通過沖突檢測和仲裁，防止數據被破壞。
一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。同步時鐘允許器件通過總線以不同的波特率進行通信。同步時鐘可以作為停止和重新啟動串行口發送的握手方式。

由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。總線的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。

串行的8 位雙向數據傳輸位速率在標準模式下可達100kbit/s ，快速模式下可達400kbit/s ，高速模式下可達3.4Mbit/s。

片上的濾波器可以濾去總線數據線上的毛刺波保證數據完整。I2C使用上拉電阻，抗干擾能力較弱，一般用于同一板卡上芯片之間的通信，較少用于遠距離通信。連接到相同總線的IC 數量只受到總線的最大電容400pF 限制。

文章轉載自：ivy_reny的博客