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作为一名嵌入式工程师，以下这些常用的通信协议往往都是面试中的必问知识。

1. UART协议

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种双向、串行、异步的通信总线，仅用一根数据接收线和一根数据发送线就能实现全双工通信。

典型的串口通信使用3根线完成，分别是：发送线（TX）、接收线（RX）和地线（GND），通信时必须将双方的TX和RX交叉连接并且GND相连才可正常通信。

• 协议特点

• 异步 (Asynchronous):

• 不需要共享的时钟信号线

• 串行 (Serial):

• 单根数据线串行传输

• 全双工 (Full Duplex):

• TX (Transmit): 发送数据线（从本设备角度看是输出）。

• RX (Receive): 接收数据线（从本设备角度看是输入）。
  

• 点对点 (Point-to-Point):

• 标准的 UART 协议设计用于连接两个设备。

• 数据帧格式

• 起始位 (Start Bit):

• 1个bit的逻辑低电平 (0)，标志着一个新数据帧的开始

• 数据位 (Data Bits):

• 通常是 5, 6, 7 或 8 位（最常用的是 8 位）。代表实际传输的一个字节（或部分字节）的数据。
  

• 传输顺序通常是最低有效位 (LSB) 在前（即先发送 bit0，最后发送 bit7）。

• 校验位 (Parity Bit):
  

• 可选，可以是 1 位或无。用于简单的错误检测（奇校验或偶校验）。
  

• 奇校验 (Odd Parity): 数据位 + 校验位中“1”的总数为奇数。
  

• 偶校验 (Even Parity): 数据位 + 校验位中“1”的总数为偶数。
  

• 无校验 (None): 最常见的选择，不包含校验位。

• 停止位 (Stop Bits):
  

• 通常是 1 位、1.5 位 或 2 位（最常用的是 1 位）。
  

• 逻辑高电平 (1)，标志着一个数据帧的结束。
  

• 提供帧之间的分隔，并确保接收电路有足够时间复位，准备好接收下一个起始位。

• 空闲状态 (Idle State):
  

• 当没有数据传输时，TX 和 RX 线都保持在逻辑高电平 (1)。起始位的下降沿将线路从空闲的高电平拉低。

2. IIC协议

I²C协议（Inter-Integrated Circuit） 是由飞利浦公司（现恩智浦）开发的一种同步、半双工、多主从架构的串行通信协议，专为板级短距离低速设备通信设计。

• 协议特点

• 信号线：SDA（串行数据线）+ SCL串行时钟线（均为双向开漏输出）

• 拓扑结构：总线式，多设备并联，通过地址寻址

• 通信模式：半双工，同一时刻只能发送或接收

• 速度模式：标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）、高速模式（3.4 Mbps）

• 寻址能力：7位地址（最多支持128个设备）或10位地址（最多支持1024个设备）

• 数据帧格式

• 起始条件（START）
  

• SCL高电平时，SDA从高→低跳变  

• 从机地址 + 读写位（ADDRESS + R/W#）

• 7位地址：高7位（MSB优先）  
  

• 读写位：0=主机写，1=主机读  示例：地址0x50的EEPROM写操作 → 1010000 0 (二进制)

• 应答位（ACK/NACK）

• ACK：第9个时钟周期，接收方拉低SDA  
  

• NACK：SDA保持高电平（表示错误或传输结束）

• 数据字节（DATA）

• 每字节8位（MSB优先），后紧跟ACK/NACK

• 应答位（ACK/NACK）

• ACK：第9个时钟周期，接收方拉低SDA  
  

• NACK：SDA保持高电平（表示错误或传输结束）

• 停止条件（STOP）

• SCL高电平时，SDA从低→高跳变  

• 数据仲裁

• 时钟同步

• 线与逻辑：SCL线被所有主机并联控制，任一设备拉低SCL即导致总线低电平

• 最长低电平胜出：低电平持续时间最长的主机决定SCL低相位周期

• 数据仲裁

• 每个主机在SCL高电平期间采样SDA状态

• 若自身发送的电平 不等于 总线实际电平，则立即退出竞争

• 失败方行为

• 切换为从机模式，监听赢得仲裁的主机通信

• 释放SCL控制权

• 缓存未发送完的数据，等待总线空闲后重试

• 仲裁结束

• 当某主机完整发送数据且未被中断则成为总线控制者

• 发送STOP条件后释放总线

3. SPI协议

SPI协议（Serial Peripheral Interface） 是一种高速、全双工、同步串行通信协议，由Motorola开发，专为短距离板级芯片间通信设计。

• 协议特点

• 信号线：CS（片选线）、SCK（时钟线）、MOSI（主出从入数据线）、MISO（主入从出数据线）

• 拓扑结构：主从架构（一主多从），片选信号寻址

• 通信模式：全双工

• 传输速度：通常10-100 Mbps

• 数据传输时序

• 数据帧格式

• 多从机模式

• 独立CS：互不干扰，速度最优，但需占用IO口

• 菊花链：仅需一个CS，数据叠加，速度受限

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