微控制器连接协议：W1、I2C、SPI、UART

串行通信

串行通信是许多集成电路器件的基本数据传输方式。从本质上讲，数据以一给方向从发送方传输到接收方，一次传输1位。为了防止传输错误，传输的数据可以包括错误检查代码，通常是CRC。为确保传输成功，接收方可以发送确认信息。

串行通信优于并行通信，因为距离或制造成本，因此具有多个连接（内联、电线、电缆等）的成本太高。直到今天，串行通信被广泛用于将不同类型的硬件相互连接，形成了非常不同的协议的基础。

1-Wire协议

使用1-Wire协议，只需使用一根数据传输/电源线1，即可在服务器和多个客户端之间建立一对多连接。连接为半双工，双向，16.3Khz传输速度。

通常，使用漏极开路MOSFET来连接器件。服务器和客户端之间的连接使用上拉电阻器处于高压状态。为了传输数据，将上拉电阻器接地，然后在服务器和客户端之间建立低压连接以进行数据传输。高压状态用于为为连接的客户端供电的电容器充电。

消息为8位MSB。典型的事务工作方式如下：

服务器发送复位脉冲

客户端发送确认消息

服务器发送8位命令

服务器和客户端交换8位数据组

为了防止传输错误，可以使用8位CRC

I2C（Inter-Integrated-Circuit）是一种2线协议，用于在客户端和服务器之间实现多对多连接：两条线是串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）。该连接是半双工、双向的，具有固定的、可配置的传输速度，为0.1、0.4、1.0、3.4或5.0MBit。

SDA和SCL线路始终保持在高压级，其中SDA线路使用上拉电阻。当服务器开始传输时，它会关闭其MOSFET栅极，使SDA线降至低电平状态。然后，通过向SDA和SCL线路施加不同的电压，传输信息。SDA线路上的低电压也意味着一个主节点正在通信，使其他主节点保持安静。SCL线路上的低电压对客户端表示相同的信息。

I2C总线中的所有设备都有7位地址。为了对设备进行寻址和接收构象，使用了2位。因此，I2C中的所有消息都是9位MSB。典型的传输方式是：

服务器发送一个7位地址和一个读/写位

寻址客户端使用位确认（从而完成9位消息格式）

根据消息的不同，服务器要么将写入数据发送到客户端，以区分寄存器/缓冲区和要写入的数据，要么期望客户端将其数据写入服务器从中读取的指定寄存器/缓冲区

当SDA和SCL再次处于高电平状态时，传输完成

I2C系统具有一组复杂的寄存器，用于捕获系统的全局状态并协调不同设备的交互方式。寄存器地址及其数据特定于供应商和设备。

SPI协议

SPI，串行外设接口，是多个客户端到一台服务器的多对一连接协议。它需要4根线：用于时钟的SCL、用于选择客户端的SCS、用于服务器数据传输的SDTS、用于客户端数据传输的SDTC。如果连接是全双工、双向的，并且对传输速度没有限制（可以达到10MB或更多）。

位帧是可配置的，通常为8位，但也使用12位或16位。数据与LSB一起发送。

在基极状态下，SCS为高电平（使用上拉电阻），SCL、SDTS和SDTC为低电平。当服务器启动通信时，它使用MOSFET门将SCS拉至低电平，并通过SCL发送数据。然后，服务器使用SDTS，所选客户端使用SDTC进行全双工通信。

典型的通信如下：

服务器确定连接到客户端的时钟速度

服务器将SCS设置为低电压，并通过SDTS发送数据

寻址客户端在SDTC线路上以选定的时钟速度进行响应

服务器和客户端交换数据

服务器将SCS设置为高电压，将SCL设置为低电压

SPI需要为每个连接的客户端提供专用的SDTC线，这对集成电路设计有很大影响。因此，菊花链可用于设计仅在SDTC线上的电路，并对数据传输协议进行额外更改。有趣的是，SPI协议没有固定的标准，但有几个特定于供应商的实现遵循相同的准则。

UART和RS-232

这两个协议控制两个设备之间的直接一对一连接。具体来说，RS-232定义了物理传输特性：电信号、它们的时序和含义，以及硬件引脚和连接器的物理尺寸。只需两根线即可实现最小的RS-232连接：用于传输数据的TXD和用于接收数据的RXC。在这个物理标准之上。UART定义了逻辑消息传递，这是完全可配置的：单工、半双工或全双工，通信速度至少为115,2KBit。

在基本状态下，TXD和RXD线路均为高电平。发送方将TXD切换到高电平并立即开始传输数据，而接收方使用RXD确认数据。发送方和接收方也使用这些线路来同步其时钟

传输的数据为7–11位LSB，包括起始位和停止位。

典型的消息交换如下：

发送方发送起始位、5位或9位消息以及停止位

接收方在其移位寄存器中缓冲传入消息

当不再接收数据时（例如，一个完整的时钟周期处于逻辑低电平状态），来自移位发送器的数据被刷新到集成电路的其他部分

UART标准的历史意义很有趣。尽管RS-232（COM端口）的早期物理表现形式几乎从当今的终端消费计算机中消失了，但该标准在许多微控制器中被仿真，以允许通过USB进行串行连接。

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