串行通信协议（I2C、SPI、UART、SCCB）

I2C(Inter-Integrated Circuit)

1.简单的双向两线制总线协议标准、半双工通信
2.双向串行数据线(SDA)用来表示数据，串行时钟线(SCL)用于数据收发同步
3.总线通过上拉电阻接到电源。当I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

写数据

1. 开始数据传输后，先发送一个起始位（S），主设备发送一个地址数据（由7bit的从设备地址，和最低位的写标志位组成的8bit字节数据，该读写标志位决定数据的传输方向），然后，主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK）。
2. 从设备应答主设备后（表示有这个从设备存在），主设备再发送要读取的寄存器地址，从设备应答主设备（ACK），表示设备内有这个地址。
3. 当写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送“Stop”。

读数据

1. 开始通讯时，主设备先发送一个起始信号（S），主设备发送一个地址数据（由7bit的从设备地址，和最低位的写标志位组成的8bit字节数据），然后，主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK）。
2. 从设备应答主设备后（表示有这个从设备存在），主设备再发送要读取的寄存器地址，从设备应答主设备（ACK），表示设备内有这个地址。
3. 主设备再次发送起始信号（S），主设备发送设备地址（包含读标志），从设备应答主设备，并将该寄存器的值发送给主设备。
4. Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个字节，Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。

起始信号和停止信号

SCL处于高电平时，SDA由高到低变化，这种信号是起始信号
SCL处于高电平，SDA由低到高变化，这种信号是停止信号

数据的有效性

在数据传输期间（不包括起始信号和停止信号），I2C协议对数据的采样发生在SCL高电平期间。SCL为高电平时，SDA必须保持稳定，不允许改变，在SCL低电平时才可以进行变化。

应答信号

I2C数据以字节（即8bits）为单位传输，每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。主机需要释放SDA总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时为高电平。

• 应答（ACK）：拉低SDA线，并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平
• 非应答（NOACK）：不要拉低SDA线（此时SDA线为高电平），并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平

速率

• 标准模式(Standard)：100kbps
• 快速模式(Fast)：400kbps
• 快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps
• 高速模式(High-speed)：3.4Mbps
• 超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（单向传输）

实现

• I2C总线协议的软件模拟实现方法–单片机
• Linux内核中I2C模块的实现方法

SPI(Serial Peripheral interface)

全双工数据传输、没有规定最大传输速率、没有地址方案、也没规定通信应答机制

• MISO（Master input slave output）： 主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
• MOSI（Master output slave input）： 主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
• SCLK（Serial Clock）：串行时钟信号，由主设备产生。
• CS/SS（Chip Select / Slave Select）：从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。

SPI数据发送接收

对主设备的SPI模式进行配置，通过配置时钟极性和相位设置主设备的通信模式，决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；

时钟极性 CKP/Clock Polarity/CPOL

• CPOL=0：时钟空闲SCLK=0；
• CPOL=1：时钟空闲SCLK=1；

时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)/CPHA

• CPHA=0：在时钟的第1个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样，在第2个跳变沿（上升沿或下降沿）数据发送
• CPHA=1：在时钟的第1个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据发送，在第2个跳变沿（上升沿或下降沿）数据采样

4种模式

• CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，即数据采样在上升沿，数据发送是在下降沿。

• CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，即数据发送是在上升沿，数据采样是在下降沿。

• CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，即数据采样在下降沿，数据发送在上升沿。

• CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，即数据发送是在下降沿，数据采样在上升沿。

通信过程

1. 拉低对应SS信号线，表示与该设备进行通信
2. 主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，从机的MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
3. 从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。

参考

UART

通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种串行、异步、全双工的通信协议。

通信协议

数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

起始位
当不传输数据时，UART数据传输线通常保持高电压电平。
若要开始数据传输，发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持1个时钟周期。当接收UART检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

数据帧
数据帧包含所传输的实际数据。
如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是5位到8位。
如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是9位。
在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。

奇偶校验

• 奇校验（odd parity）：如果数据位中’1’的数目是偶数，则校验位为’1’，如果’1’的数目是奇数，校验位为’0’。
• 偶校验（even parity）：如果数据为中’1’的数目是偶数，则校验位为’0’，如果为奇数，校验位为’1’。

停止位

为了表示数据包结束，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1到2位时间。

参考

波特率
数据传输速率使用波特率来表示，单位bps（bits per second）。
9600bps：传输一个比特需要的时间是1/9600≈104.2us。

SCCB

Serial Camera Control Bus，串行摄像头控制总线，有两种工作模式，一主多从，一主一从模式。一主多从，即3线操作；一主一从，即2线操作。

通信协议