一文解决，STM32基本外设UART、I2C及SPI常用通信协议_stm21的uart.c

前言

STM32单片机中支持很多外设通信，为了方便学习，根据我的个人理解，这里对这些通信协议做一个总结，不足之处，还请各位指教。

正文

首先，需要了解一下通信的基础知识，以及STM32为什么需要通信。

STM32通信的目的、协议以及基本定义

      (1)、通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，实现与众多模块的互联，极大的扩展硬件系统。

      (2)、通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。

      (3)、基本需求：对于STM32来说，比如定时器计数，PWM输出，AD采集等，都是芯片内部的电路，这些电路的配置寄存器、数据寄存器都在芯片里，直接读写就可以操作，但是有些功能却是STM32没有的，比如想要蓝牙无线遥控的功能等，这些是STM32没有的，只能由外挂芯片完成，而外挂的芯片，数据都在STM32外边，STM32获取数据就必须在两个设备之间连接上一根或多根通信线，通过通信线路发送或者接收数据，完成数据交换，从而实现控制外挂模块和读取外挂模块数据的目的。

      (4)、并行通信：数据字节的各位同时传送的通信方式，比如说二进制数据0100 1000 发送时，这8位同时发送过去，最少也要占用8条传输线，缺点就是适用于近距离通信，远距离成本高，优点就是传送速度非常快

      (5)、串行通信：STM32提供很多功能强大的串行通信模块，串口USART、集成电路总线I2C、SPI等都属于串行通信，串行通信，将数据字节一位一位的传输过去，比如0100 1000，8位一位一位的发送过去，这种方式优点就是占用传输线少，适合远距离传送，但是传输速度慢。

      (6)、串口通信：STM32支持的通信方式的一种，有同步串口通信UART、还有支持同步和异步的USART通信，他们属于串行通信。

      (7)、异步时序(和异步时钟类似)：异步时序的好处就是省了一根时钟线，节省资源，缺点就是对时间要求严格，对硬件电路的依赖比较严重，因为异步时钟就是缺少一根时钟线，需要通信双方约定频率才能通信。

      (8)、同步时序：同步时序的好处就是对时间要求不严格，对硬件电路不过于依赖，缺点就是多一根时钟线。有单独的时钟线，因此是同步的。

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接下来，步入正题，各类通信协议的基础知识和用法：

UART串口通信

小端和大端模式

      (1)、小端模式：高位字节存在高地址上、低位字节存在低字节上。

      (2)、大端模式：高位字节存在低地址上、低位字节存在高地址上。

通信协议

     (1)、USART串口(没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，属于异步通信，也就是说发送的停止了，可能接收的还在工作，异步工作)。

     (2)、全双工(通信双方能够同时进行双向通信)。

     (3)、时钟异步，单端电平、点对点通信。

     (4)、速率较慢、最快仅有1.5Mbps，但是传播距离远RS485可达1200m，采用小端模式。

UART串口通信、RS232和RS485   

      (1)、UART、USART、RS232、RS485其实都是属于串口通信，但是UART和USART的电平一般为TTL，低电平，标准TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小2.4V,典型值3.4V，输入低电平最大0.8V，输出低电平最大0.4V，典型值0.2V。RS232电平逻辑1=-3V~-15V，逻辑0=+3V~+15V，RS485电平，采用差分方式输出，逻辑1表示 +(2~6)V，逻辑0表示 -(2~6)V。

      UART一般用于电路板内部通信或者短距离通信，最常用的就是单片机，STM32等都有，板子上有个串口设备，就可以直接使用UART的TX,RX管脚连接使用，或者留个排针或者端子座对外，注意如果要外接，需要供电和共地，这种情况适用于距离较短的串口模块，比如刷卡，蓝牙，WiFi小模块等。

      从上面可以看出，若想增大传输距离，就需要使用外挂芯片，将TTL电平高的转为RS232的-15V，TTL电平低的转为RS232的+15V，通过外挂芯片，提升UART的传输距离，那也就是说，其实，发送的电平信号还是使用USART，而RS232和RS485相当于两个扩大传输距离的芯片，使用的时候，底层依然使用的时USART串口。

      (2)、RS232的特点：a、接口的信号电平值较高(+/-15V)，已损坏接口电路的芯片；b、传输速率较低，在异步传输时，波特率20Kbps；c、接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成供地的传输形式，这种供地传输容易产生共模干扰，因此抗噪声干扰性弱；d、而RS-232接口只允许一对一通信。e、而RS-232接口为20Kbps。d、传输距离有限，最大传输距离也只能50米左右

      (3)、RS485的特点：a、接口电平低，不易损坏接口电路芯片；b、传输速率高，10米时，最高可达10Mbps，在1200米时，可达100Kbps；c、抗干扰能力强，RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，也就是差分信号传输，因此抗噪声干扰性好。d、传输距离远，支持节点多；e、RS485接口在总线上允许连接多达128个收发器；f、RS-485接口的最高传输速率为10Mbps；g、多使用半双工，也可以全双工。

主要就是给CR控制寄存器和BBR波特率寄存器赋值

UART和TTL、RS-232、RS-485的关系

       (1)、UART是一种具有协议特征的收发器/接口/总线，也就是说它是一个按照特定协议来收发数据的硬件，它规定了数据按照什么格式和时序来传输。

       (2)、而TTL、RS-232、RS-485是三种不同的电气协议，是对电气特性的规定，作用于数据传输通路，但它并不包含对数据的处理方式。UART可以使用TTL电平，也可以使用RS-232、RS-485电平。

UART串口时序、波特率的定义

       波特率：串口通信的速率，因为异步通信，因此通信双方需要约定频率，它决定了每隔多久发送一位。

       UART串口时序中包含一个起始位、一个数据位、一个停止位，也有可能包含检验位，时序图如下图所示。

      (1)、起始位、初始状态为高电平、标志着一个数据帧的开始。

      (2)、数据位、也就是需要传输的数据、1为高电平、0为低电平，传输时，低位先行，意思就是将16进制数转化为二进制数，然后翻转电平，使低位先进行传输，比如0xAA，二进制数为1010 1010，传输时为0101 0101 ，这就是低位先行，这也是遵循小端模式。

      (3)、停止位、停止位必须恢复高电平，用于数据帧间隔，也为下一个起始位做准备。

     (4)、校验位、如果没有校验位，总共有8位有效载荷，如果需要校验位，将会在有效载荷之后，加上一个校验位，该校验位如果使用奇校验，包括校验位在内的9位数会出现奇数个1。发送方，在发送数据后，会补一个校验位，保证1的个数为奇数，接收方在接收数据后，会验证数据为和校验位，如果1的个数还是奇数，证明传输正确。

I2C通信

通信协议

     (1)、I2C通信(拥有一条数据线SDA和一条时钟线SCL，因此属于同步通信)。

     (2)、半双工(一根数据线兼具发送和接收)。

     (3)、时钟同步，单端电平、多主机通信(可以一对多，也可多对多)，每个挂接在总线上的设备都有唯一的地址。

     (4)、速率较慢、标准模式下达100Kbit/s，快速模式下400Kbit/s，高速模式下3.4Mbit/s，bit/s=bps，最快只有3.4M，采用大端模式(高位先行)。

      (5)、传输距离较近，不超过30cm。

I2C通信协议的优点 

      (1)、同步(这也是有时钟线的好处：改成同步，然后加一条时钟线，指导对方读写，存在时钟线，对传输的时间要求不高，单片机可以随时暂停传输，去处理其他事情，暂停传输的同时，时钟线也暂停了，传输双方定格在暂停时刻，可以极大的降低单片机对硬件电路的依赖)。

      (2)、当主机向从机发送数据或者接收数据时，将会产生数据应答。

      (3)、支持总线挂载多设备（一主多从(单片机作为主机，主导I2C总线的运行，挂载在I2C总线的所有外部模块都是从机)、多主多从。

I2C协议的硬件设备配置、协议规定

       (1)、设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式(因为是半双工协议，主机的SDA在发送的时候是输出，在接受的时候是输入，从机的SDA也会在输入和输出之间反复切换，如果总线时序没有协调好，造成两个引脚都是输出状态，如果正好是高电平，就会造成短路，因此I2C的设计是禁止所有的设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构，设计为开漏输出模式)，SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。

       (2)、单片机的核心是CPU，还有RAM、ROM等，作为总线的主机，主机权力很大，包括对SCL线的完全控制，任何时候，都是主机完全掌控SCL线，在空闲状态下，主机可以主动发起对SDA的控制，只有在从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交SDA的控制权给从机。

       (3)、挂载在I2C总线上的从机权力很小，对SCL时钟线，在任何时刻都只能被动的读取，不允许控制SCL时钟线，对SDA数据线，从机不允许主动发起对SDA的控制，只有主机发送读取从机的命令后，或者从机应答的时候，从机才能短暂的获取SDA的控制权。

I2C时序基本单元

      (1)、处于空闲状态时，SCL时钟线和SDA数据线均处于高电平，也就是没有任何一个设备去碰SCL和SDA，SCL和SDA由外部的上拉电阻拉高至高电平，总线处于平静的高电平状态。

      (2)、起始条件，主机需要进行数据收发时，打破宁静，此时SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平，也就是预示着要开始数据传输了。在SDA成为低电平之后，主机将SCL拽下来，也成为低电平，此时SCL一方面占用这个总线，一方面方便基本单元的拼接。

      (3)、终止条件，和串口时序类似，需要一个终止条件，SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平。

       I2C在发送字节和接收字节时，从机与主机，SCL与SDA的状态信息

      (1)、发送字节时，也就是指定地址写的过程，SCL低电平，主机将数据放到SDA数据线上(发送0，就拉低SDA，反之，释放SDA)，接着主机释放SCL，从机开始读取SDA数据，一般在上升沿即可读取完成，并且此时SDA不可以改变；之后主机继续拉低SCL，继续放入数据，循环操作就发送了8位数据，也就是一个字节。

      (2)、接受字节时，主机在接收数据之前需要释放SDA，将控制权交给从机，SCL全程还是由主机控制，同样主机若想读取数据，也需要SCL在高电平期间。循环操作就接收了8位数据，也就是一个字节。

I2C指定地址写的步骤

     也就是主机向从机写入数据，具体时序图如下图所示

      (1)、主机发起一个启动信号（START)。

      (2)、主机发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读、0表示写。(因为一主多从的特性，而且每个从机地址拥有特定的地址，因此需要发送地址位，选择从机，比如MPU6050就是7位的从机，第8位是读或者写的标志位，1代表读，0代表写)，这里发送的就是0。

      (3)、发送地址之后，从机若收到，将会产生应答(ACK)，这里步骤是(从机应答期间，主机会将SDA控制权给从机，主机释放了SDA，SDA将要恢复高电平时，从机将其拉低，变为0，当主机处于SCL高电平，读取SDA时，发现是低电平，证明从机收到主机发送的数据)。

      (4)、主机接着发送8bit的寄存器地址，(这是对于MPU6050来说的，其他的发送的可能并不是寄存器地址)。

      (5)、从机继续产生应答信号（ACK)，原理和上面相同。

      (6)、主机发送一个字节数据。写入寄存器地址中。

      (7)、从机产生应答信号（ACK）。

      (8)、主机发送停止信号，将SDA拉回低电平，再进行释放，保证SCL和SDA都处于高电平，为下一次传输做准备。

     下方时序图指的是对于指定从机地址为1101000的设备，在其内部0x19地址的寄存器中，写入0xAA这个数据。

I2C指定地址读的步骤

     也就是主机从从机读取数据，具体时序图如下图所示  

     这里前两步的步骤肯定是和指定地址写的时候是一样的，因为都需要指定地址

     (1)、主机发起一个启动信号（START)。

   （2)、主机发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读、0表示写。这里发送的还是0。

     (3)、发送地址之后，从机若收到，将会产生应答(ACK)。

     (4)、主机接着发送8bit的寄存器地址，(这是对于MPU6050来说的，其他的发送的可能并不是寄存器地址)。

     (5)、从机继续产生应答信号（ACK)，原理和上面相同。

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     接下来就不同了

     (6)、主机再次重新发送一个启动信号（START) ，用来读取数据。

     (7)、主机再次发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读、0表示写。这里发送的就是1，读数据。

     (8)、从机产生应答信号（ACK）。

     (9)、主机读取一个字节数据。。

    (10)、主机产生一个非应答信号，之后产生一个停止信号（STOP)，将SDA拉回低电平，再进行释放，保证SCL和SDA都处于高电平，为下一次传输做准备。

      下方时序图指的是对于指定从机地址为1101000的设备，在其内部0x19地址的寄存器中，读取0xAA这个数据，在这个过程中，发送两次获得从机地址的数据位。

 SPI通信

通信协议

     (1)、SPI通信(拥有四条通信线SCK(串行时钟线)、MOSI(主机向从机发送数据的线路)、MISO(主机由从机接收数据的线路)和SS（Slave Select 从机选择   直接通过一条通信线路去联系从机，不像I2C通过发送从机设备地址，而且不只有一根SS线）属于同步通信)。

     (2)、全双工(发送和接受单独各占一条线)。

     (3)、时钟同步，单端电平、串行通信、多设备通信(一对多，不支持多主机)，每个挂接在总线上的设备都有唯一的地址。

     (4)、高速、可达到50Mbit/s，bit/s=bps，采用大端模式(高位先行)。

     (5)、传输距离较远10m。

     (6)、SPI通信没有应答机制。

SPI通信的原理   

     原理如下图所示

     (1)、SPI主要是通过交换一个字节进行数据传输的   高位先行主机输出的时候，左边移出的数据通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边，主机输入的时候，从机移位寄存器移出的数据通过MISO引脚，从左边输入到主机移位寄存器的右边。

      (2)、时钟源由主机提供，产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位，同时也经过SCK引脚输出，接到从机的移位寄存器中，上升沿进行移出数据到MOSI和MISO数据线上，下降沿时，将数据线上的数据移位到移位寄存器中。

      SPI的本质就是交换一个字节，完成数据传输，可以实现 a、发送一个字节; b、接收一个字节; c、发送和接收一个字节

SPI时序基本单元  

      (1)、起始条件：SS从高电平切换到低电平     下降沿通信的开始，上升沿通信的结束。

      (2)、终止条件：SS从低电平切换到高电平    从机的整个选中状态中，SS需要始终保持低电平  也就是通信时，SS为低电平。

     SPI共有四种操作时序模式，通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)配置   选择0或者1

     模式1  CPOL = 0 CPHA = 1   特点    如下图所示

     (1)、空闲状态时(也就是SS未进入低电平时)，SCK为低电平   并且MISO必须置为高阻态。

     (2)、SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据。

     (3)、SCK上升沿，主机和从机同时输出当前移位寄存器的最高位，SCK下降沿，主机和从机同时移入数据，进行采样。

     (4)、接下来就是重复上述过程，就可以完成数据交换。

     模式0  CPOL = 0 CPHA = 0   特点  (使用最多)   如下图所示

     (1)、空闲状态时，SCK为低电平。

     (2)、SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据。

     (3)、这里也就是提前将数据移出，并没有等到SCK上升沿才开始移出数据，等上升沿的时候，已经开始移入数据了。

     (4)、接下来就是重复上述过程，就可以完成数据交换。

     模式0和3都是SCK上升沿采样(就是移入数据)，模式1和2都是SCK下降沿采样，因为模式0和1，SCK默认是低电平，而模式2和3，SCK默认是高电平。

总结

通信适用设备

      (1)、支持串口通信的设备：(a)、USB转串口模块(CH340)，将串口协议转为USB协议；(b)、陀螺仪传感器模块，带有串口引脚和ISC引脚；(c)、蓝牙串口模块 手机遥控单片机的功能

     (2)、支持I2C通信的设备：(a)、MPU6050模块，用于姿态测量；(b)、OLED显示屏模块；(c)、存储器模块；(d)、DS3231实时时钟模块

     (3)、支持SPI通信的设备：(a)、W25Q64 FLASH存储器；(b)、OLED显示模块；(c)、无线通信模块；(d)、SD卡

通信方式的选择

      (1)、SPI和I2C适用传输距离短，像触摸屏、OLED屏什么的，UART传输距离可以更长，程序设计相对简单。

     (2)、板级通信用I2C，SPI。 板间通讯用串口（环境理想情况下）。若通信环境不理想可以考虑差分信号，也就是串口转485或者CAN总线。