學(xué)單片機(jī)要掌握哪些通信技術(shù)？

嵌入式專欄

作者 | strongerHuang
微信公眾號 | strongerHuang
不定期會有讀者問類似這樣的問題：從事單片機(jī)工作，要掌握哪些通信的技術(shù)知識？
隨著技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)越來越多，但在嵌入式領(lǐng)域，常見的通信技術(shù)其實(shí)也不多，像UART、 I2C、 SPI、 CAN、 USB和TCP/IP等這些算是最常見的一些。
這些通信技術(shù)說簡單也簡單，說難也難，這里站在初學(xué)者角度科普一下其中的基礎(chǔ)內(nèi)容。
常見通信技術(shù)
UART
UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器。
USART：Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器。
USART可以理解為UART和USRT二合一的通信接口，一個是同步通信，一個是異步通信。
I2CI2C：Inter-Integrated Circuit，字面上的意思是集成電路之間，它其實(shí)是I2C Bus簡稱，所以中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線。
SPISPI：Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。
QSPI是Queued SPI的簡寫，是Motorola公司推出的SPI接口的擴(kuò)展，比SPI應(yīng)用更加廣泛。
QSPI是在SPI協(xié)議的基礎(chǔ)上，對其增加了隊(duì)列傳輸機(jī)制，傳輸過程不需要CPU干預(yù)，極大的提高了傳輸效率。
CANCAN：Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)。
CAN 總線是一種應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線 ,在工業(yè)測控和工業(yè)自動化等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。
USBUSB：Universal Serial Bus，通用串行總線。
USB是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。
TCP/IPTCP/IP：Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議。
TCP/IP是傳輸協(xié)議，當(dāng)然，這里主要指Internet網(wǎng)，只是TCP/IP是其中最為重要的一層傳輸協(xié)議。
當(dāng)然，這些只是常見的通信技術(shù)，還有很多有線和無線的通信技術(shù)，這里就不過多描述。
通信原理
這幾種常見串行方式基礎(chǔ)的通信原理不難，網(wǎng)上教程也有很多，這里給大家整合一下。
UARTUART通信一般是3線，當(dāng)然也有單線半雙工模式。
UART連接方式：

UART通信數(shù)據(jù)格式：

這一節(jié)詳細(xì)更多內(nèi)容請參看《通信教程01》中串行通信章節(jié)。
I2CI2C是串行同步通信方式，一般是2線（SDA數(shù)據(jù)線、SCL時鐘線），一主多從的通信方式。
I2C連線方式：

SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出．需通過上拉電阻接電源VCC。當(dāng)總線空閑時．兩根線都是高電平，連接總線的外同器件都是CMOS器件，輸出級也是開漏電路．在總線上消耗的電流很小。
I2C一般是地址+數(shù)據(jù)+ACK方式，基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)格式：

SPISPI應(yīng)用非常廣泛，通常用于在微控制器和小型外設(shè)（如移位寄存器，傳感器和SD卡）之間發(fā)送數(shù)據(jù)的接口總線。
SPI通信主要使用3線（SCK、MOSI、MISO）進(jìn)行通信：

但是SPI也用于多從機(jī)通信，此時，會多處一個CS片選信號線。

多從機(jī)接線方式：

當(dāng)然，還有類似I2C多從機(jī)，通過尋址方式實(shí)現(xiàn)：

SPI通信協(xié)議比I2C要簡單的多，沒有過多的數(shù)據(jù)處理。
CANCAN通信是相對前面3種更復(fù)雜的一種局域網(wǎng)絡(luò)，不管是硬件，還是軟件協(xié)議都更加復(fù)雜。
這里不詳細(xì)講述，可以關(guān)注公眾號回復(fù)【CANOpen系列教程】，里面有關(guān)于CAN從底層硬件、協(xié)議、到上層軟件的詳細(xì)內(nèi)容。
USBUSB是生活中常見的一種串行通信接口，主要4線（D+ D- VCC GND）：

USB設(shè)備端的D-或D+數(shù)據(jù)線連接1.5K歐姆的上拉電阻。當(dāng)設(shè)備插入PC機(jī)的時候，會將PC機(jī)的D-或D+端的電壓拉高，當(dāng)PC機(jī)在D-或D+端檢測到高電平時，就知道有設(shè)備插入了。
如果是PC機(jī)D-端被拉高，接入的則是USB低速設(shè)備；如果是PC機(jī)D+端被拉高，接入的則是USB全速或高速設(shè)備，具體是全速設(shè)備還是高速設(shè)備，會由PC機(jī)和USB設(shè)備發(fā)包握手確定。

USB傳輸速度有：低速1.5Mbps(USB1.0協(xié)議)、全速12Mbps(USB1.1協(xié)議)、高速480Mbps(USB2.0協(xié)議)、超高速5Gbps(USB3.0協(xié)議)等。
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