电子器件之间的语言

电子元件及芯片种类的多样化和集成化导致芯片之间需要频繁的通信，芯片之间的通信也是电子信息科学与技术发展的必然方向，而通信就必然会涉及协议，也就是通信的数据的格式，就像人与人之间沟通必须要使用同一种语言一样，在多元化的今天必然会有几大主流通信协议应用在不同的场合，那么这几大主流的通信协议都有什么呢？

关键词：通信协议；芯片；总线

0 引言

随着现代社会的快速发展，电子信息技术也飞速进步，以往的功能单一，运行卡顿的电子设备早已无法满足人们对电子产品日益整涨的需求。而使用单一IC注定无法研发出功能复杂的电子产品，这使得大规模集成IC应运而生，而多片芯片之间必然会有数据的传输进行协同处理用户的数据，而这就使得各种通讯协议产生了。

1 SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外设接口的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI在芯片的管脚上只占用四根线，节约日益宝贵的芯片的管脚，同时也为PCB的布局上节省空间，提供了方便，正是出于这种简单易用的特性，如今很多的芯片集成了这种通信协议。有的芯片提供了SPI片上外设，但有时这种外设不是很稳定，有时也采用软件模拟SPI的方式，即编程不断改变引脚状态来模拟SPI的时序达到通信的目的。

SPI的通信原理很简单，它采用主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，通常需要至少4根线，而有时3根也可以进行数据传输（当单向传输时）。四根线是所有基于SPI的设备共有的，它们分别是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。其中，CS是控制芯片是否被选中的，也就是芯片的使能线。它允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。剩下的就负责通讯的3根线了。数据的输入输出线负责传输数据，时钟线则控制主从设备读取或者发送数据的时机。

2 UART

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常称作UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。通常是将数据由串行通信与并行通信间作传输转换，作为并行输入成为串行输出的芯片，通常集成于其他通讯接口的连结上。

具体实物表现为独立的模块化芯片，或作为集成于微处理器中的外设。一般采用RS232协议，采用类似Maxim公司的MAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配，作为连接外部设备的接口。

UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，各位的意义如下：

起始位：顾名思义，一帧数据的开始。数据位：紧接着起始位之后，通常采用ASCII码。从最低位开始传送。奇偶校验位：数据位加上这一位来校验资料传送的正确性。停止位：它是一个字符数据的结束标志，一般是一段时间的高电平。 由于数据是在数据线上定时传输的，并且每一个设都有其自己的时钟，很可能在通信中两设备间出现了不同步。因此停止位更多的作用是提供计算机校正时钟使两台设备同步的。

3 I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及各种常用外围设备，是微电子通信控制领域目前正在广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊的形式，具有接口连接线少，控制简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。I2C 协议通过串行数据线（SDA）和串行时钟线 （SCL）在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别（微控制器——MCU、LCD 驱动器、存储器或键盘接口等等常见外围电路），而且每个外设都可以作为数据的发送者或者是数据的接收者（这由器件的功能决定）。例如常见的LCD 驱动器只能作为接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了数据发送器和数据接收器以外，器件在执行数据传输时分为主机和从机。主机是指实现初始化总线的数据传输产生允许传输的时钟信号的器件。此时，任何被主机寻址的器件都被认为是从机。任何一个芯片都可以被认为是主机或者从机。

4 CAN

CAN（Controller Area Network， CAN）是控制器局域网络的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并成为了国际标准（ISO 11898），是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧的大多数国家，CAN总线协议已经成为车载电子系统和工业嵌入式电子控制局域网的标准总线，并且衍生了以CAN总线协议为底层协议圣物专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

目前CAN 的高性能和可靠性已被大多数电子工作者认同，并被广泛地应用于工业自动化、医疗设备、工农业设备等多个方面。CAN总线是当今电子领域技术发展最快的热点之一，被誉为电子领域的局域网。

5 区别与联系

当然，除了上面说到的各种协议，还有类似于DS18B20采用的单总线通信的多种多样的通信方式，各大通讯协议各有各的优点，各有各的缺点。I2C线更少，比UART、SPI、CAN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，而且需要使用上拉电阻，抗干扰能力较弱，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，不方便用于远距离通信。SPI实现要简单一些，而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和低频稳定情况下的UART慢一点，协议要比SPI复杂一点，但是连线也比标准的SPI要少。

但无论哪种协议，既然在高速发展的今天得到了广泛的使用，就说明必然有它得到大家认可的原因，学习电子知识可以说电子元件之间的通信是基础中的基础。在未来，一定还会有更多更加优秀的协议诞生，让芯片之间的通信越来越快，越来越稳定，让大家的电子产品更加完美。

参考文献：

[1] 黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[2] 徐英慧.ARM9嵌入式系统设计[M].北京航空航天大学出版社，2015.

作者简介：刘兴华（1994—），男，辽宁调兵山人，沈阳理工大学学生。

李加宁（1996—），男，辽宁辽阳人，沈阳理工大学学生。

李信（1996—），男，甘肃定西人，沈阳理工大学学生。