完整的硬件產(chǎn)品是由多種模塊組合實現(xiàn)產(chǎn)品功能的,，微控制器 MCU 充當(dāng)大腦,，外圍的存儲單元,、顯示單元、發(fā)聲單元,、傳感器單元,、運動單元等等是其軀干和四肢，而不同類型的硬件單元需要有機(jī)的結(jié)合起來,，就離不開相互之間的數(shù)據(jù)通信,，電子工業(yè)經(jīng)過了百余年的發(fā)展，衍生出了繁多的協(xié)議,，其中既有行業(yè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,，也有企業(yè)自研的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，這些協(xié)議通?？梢苑譃椴⑿型ㄐ艆f(xié)議和串行通信協(xié)議,。
通信的方式可以分為：全雙工,、半雙工、單工
根據(jù)是接收端和發(fā)送端時鐘頻率的異同又可分為同步通信和異步通信,，本章將簡單介紹主流的一些硬件通信協(xié)議,。 SPI 協(xié)議協(xié)議概括 SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。SPI,，是一種高速的,，全雙工，同步的通信總線,，并且在芯片的管腳上只占用四根線,，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間,，提供方便,，正是出于這種簡單易用的特性，如今主流的微控制器都集成有spi接口,，如 stm32 家族,。 通信原理 SPI的通信原理很簡單,，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備,，需要至少4根線,，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的,，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入）,、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）,、CS（片選）,。
其中，CS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號,，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位）,，主芯片對此從芯片的操作才有效。這就使在同一條總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能,。 接下來就負(fù)責(zé)通訊的3根線了,。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議,，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖,，SDI,，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線,，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變,，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸,，輸入也使用同樣原理,。因此，至少需要8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次）,，才能完成8位數(shù)據(jù)的傳輸,。 SCLK信號線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號線。同樣,，在一個基于SPI的設(shè)備中,，至少有一個主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c：這樣的傳輸方式有一個優(yōu)點,，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù),，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送,，甚至允許暫停，因為SCLK時鐘線由主控設(shè)備控制,，當(dāng)沒有時鐘跳變時,，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說,，主設(shè)備通過對SCLK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制,。 通過邏輯分析儀采集 spi 總線數(shù)據(jù)，可以看到四個通道的波形變化,，判斷信號的時鐘周期,、時鐘相位和極性，并能夠解碼獲取實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令,。 SPI還是一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨立,，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實現(xiàn)方式不盡相同,，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時間不同,，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關(guān)器件的文檔,。 最后,，SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù),。 I2C 協(xié)議協(xié)議概括 I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單,、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息,。 主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù),，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件．在總線上主和從,、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的,，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件,，則主機(jī)首先尋址從器件,，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù),，首先由主器件尋址從器件．然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù),，最后由主機(jī)終止接收過程。在這種情況下．主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送,。 通信原理 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,，因此，總線上擴(kuò)展的器件數(shù)量主要由電容負(fù)載來決定,，因為每個器件的總線接口都有一定的等效電容．而線路中電容會影響總線傳輸速度．當(dāng)電容過大時,，有可能造成傳輸錯誤．所以，其負(fù)載能力為400pF,，因此可以估算出總線允許長度和所接器件數(shù)量,。 主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件,，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件．在總線上主和從,、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向,。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件,，則主機(jī)首先尋址從器件，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件,，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送,；如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件．然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù),，最后由主機(jī)終止接收過程,。在這種情況下．主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。 邏輯分析儀采集 I2C 總線數(shù)據(jù),，可以看到 SDA 和 SCL 的數(shù)據(jù)波形,，查看每次的指令和數(shù)據(jù)、地址等,。 CAN 協(xié)議協(xié)議概括 控制器局域網(wǎng)總線（CAN,，Controller Area Network）是一種用于實時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號,，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一,。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束,。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應(yīng)用,。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊,、提供實時支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s,、同時具有11位的尋址以及檢錯能力,。 通信原理 CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行,，也可以使用光纜連接,，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。 CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似,，但也有一些明顯的區(qū)別,。當(dāng)CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點,。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的,，都對其進(jìn)行接收,。每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報文的優(yōu)先級,，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案,。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文,。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時,，這種配置十分重要。
USB 協(xié)議協(xié)議概括 通用串行總線（英語：Universal Serial Bus,，縮寫：USB）是連接計算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn),，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，被廣泛地應(yīng)用于個人電腦和移動設(shè)備等信息通訊產(chǎn)品,，并擴(kuò)展至攝影器材,、數(shù)字電視（機(jī)頂盒）、游戲機(jī)等其它相關(guān)領(lǐng)域,。
通信原理 USB總線屬于一種輪詢式總線,，主機(jī)控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一總線動作最多傳送三個數(shù)據(jù)包,，包括令牌(Token),、數(shù)據(jù)(Data)、聯(lián)絡(luò)(HandShake),。 按照傳輸前制定好的原則,，在每次傳送開始時，主機(jī)送一個描述傳輸動作的種類,、方向,、USB設(shè)備地址和終端號的USB數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包通常被稱為令牌包(TokenPacket),。USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當(dāng)位置取出屬于自己的數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機(jī)到設(shè)備就是從設(shè)備到主機(jī)。
USB 2.0 接口
USB 3.0 接口 在傳輸開始時,，由標(biāo)志包來標(biāo)志數(shù)據(jù)的傳輸方向,，然后發(fā)送端開始發(fā)送包含信息的數(shù)據(jù)包或表明沒有數(shù)據(jù)傳送。接收端也要相應(yīng)發(fā)送一個握手的數(shù)據(jù)包表明是否傳送成功,。發(fā)送端和接收端之間的USB數(shù)據(jù)傳輸,，在主機(jī)和設(shè)備的端口之間，可視為一個通道,。USB中有一個特殊的通道一缺省控制通道,，它屬于消息通道，設(shè)備一啟動即存在,，從而為設(shè)備的設(shè)置,、狀態(tài)查詢和輸入控制信息提供一個入口。 UART 協(xié)議協(xié)議概括 通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),，通常稱作UART,，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分,。它將要傳輸?shù)馁Y料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換,。作為把并行輸入信號轉(zhuǎn)成串行輸出信號的芯片,，UART通常被集成于其他通訊接口的連結(jié)上。 具體實物表現(xiàn)為獨立的模塊化芯片,，或作為集成于微處理器中的周邊設(shè)備,。一般是RS-232C規(guī)格的，與類似Maxim的MAX232之類的標(biāo)準(zhǔn)信號幅度變換芯片進(jìn)行搭配,，作為連接外部設(shè)備的接口,。在UART上追加同步方式的序列信號變換電路的產(chǎn)品，被稱為USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter),。
通信原理 計算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù),，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過UART整理才能進(jìn)行異步傳輸,，其過程為：CPU先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時內(nèi)存塊）中,，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊列）傳送到串行設(shè)備,，若是沒有FIFO,，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem,。 UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符一位接一位地傳輸,。
其中各位的意義如下：
通過邏輯分析儀抓取 uart 總線數(shù)據(jù),，可以清楚的看到數(shù)據(jù)幀格式。
參考鏈接1.《物聯(lián)網(wǎng)安全百科》 https://
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