UART VS I2C VS SPI

hkgoldenmra | Aug. 14, 2022, 2:18 a.m. | Original

最近用 Raspberry Pi Pico 學習驅動連接 PCF8574 的 HD44780 及 MAX7219
因此要在 Raspberry Pi Pico 重新學習編寫 I ² C 及 SPI
亦所以簡單介紹 I ² C 及 SPI 的運作原理

UART 協定

UART 引腳

UART 只需要使用

RXD(資料傳送)
TXD(資料接收)

便可以傳送及接收資料，但 UART 只能一對一傳送及接收資料
如果 MCU 需要同時控制多個 UART裝置(從機)，便需要多組資料傳送及資料接收
即是 MCU最少電路數量 = 2 * 總從機數量
不過實際上 UART 允許只讓 MCU 控制從機
即是 MCU最少電路數量 = 總從機數量

UART 速度

即是 Baud值，即是每秒內傳送訊息的次數

Baud值	傳送間距(納秒)
9600	104167
19200	52083
38400	26042
57600	26042
76800	13021
115200	8681
230400	4340
460800	2170
576000	1736
921600	1085

UART 訊號

UART 使用 TXD 傳送訊號

TXD 閒置狀態為高電壓
開始傳送訊號，將 TXD 設定為低電壓
根據從機要求，傳送資料指定數量的位元訊號， UART 支援 5位元至 8位元
結束傳送訊號，將 TXD 設定為高電壓，即是閒置狀態

為了確保訊號取樣準度度，通常會在訊號中間位置才執行下一個訊號
假設訊號傳送間距為 1毫秒，為了確保開始訊號正確
高電壓維持 9毫秒，便可以確保資料訊號及完結訊號完成並終止
確定終步後，傳送開始訊號
要讓訊號在中間位置，先將 TXD 保持在低電壓 0.5毫秒
然後每1毫秒傳送資料訊號，最後傳送完結訊號便完成整個過程

I ² C 協定

I ² C 引腳

I ² C 只需要使用

SCL(序列時脈)
SDA(序列資料)

便可以傳送及接收資料

I ² C 地址

最多支援最多 128個從機裝置
假如主機用盡 128個從機裝置，便需要另外 1組序列時脈及序列資料
即是 MCU最少電路數量 = 2 * roundup(總從機數量 / 128)
不同型號 I ² C 晶片都預先設置了地址範圍，不會用盡 128個地址
(地址需要授權費，晶片商未必會購買 128個地址)
例如：

PCA6107 為 0x18 ~ 0x1F
PCF8574 為 0x20 ~ 0x27
PCF8574A 為 0x38 ~ 0x3F
PCA9536 為 0x40 ~ 0x4F
PCA9538 為 0x70 ~ 0x73
PCA9539 為 0x74 ~ 0x77

I ² C 速度

共有 6種模式：

低速模式 10 Kbps
標準模式 100 Kbps
快速模式 400 kbps
快速+模式 1 Mbps
高速模式 3.4 Mbps
超高速模式 5 Mbps

I ² C 訊號

I ² C 使用最高有效位(Most Significant Bit(MSB)) 寫入或讀取資料，即是資料由第n-1 至第0 的次序運作
及序列時脈以低電壓為閒置狀態(Idle)

I ² C 有 4個步驟

步驟	名稱	方向	數量
1	開始訊號	輸入	1
2	地址訊號	輸入	1
3	資料訊號	輸入/輸出	n
4	結束訊號	輸入	1

I ² C 開始訊號

I ² C 需要觸發開始訊號才開始運作
要發送開始訊號，先讓序列時脈保持高電壓，再將序列資料由高電壓到低電壓

SCL = 1;
SDA = 1;
delay
SDA = 0;

I ² C 地址訊號

地址使用 7位元資料，即是由第7至第1元位作為發送或接收的地址訊號
第0元位為設定 I ² C 寫入(0) 或讀取(1) 操作
最後寫入一個低電壓ACK訊號便完成地址訊號

SCL = 0;
delay;
for i from 6 to 0 {
	SDA = 0 or 1;
	SCL = 1;
	delay;
	SCL = 0;
	delay;
}

SDA = write mode or read mode;
SCL = 1;
delay;
SCL = 0;
delay;

ack = SDA;
SCL = 1;
delay;
SCL = 0;
delay;

I ² C 資料訊號

資料使用 8位元資料，即是由第7至第0元位作為發送或接收的資料訊號
最後寫入或讀取一個 ACK訊號便完成資料訊號
資料訊號可以發送或接收超過一次

SCL = 0;
delay;
for i from 7 to 0 {
	SDA = 0 or 1;
	SCL = 1;
	delay;
	SCL = 0;
	delay;
}

ack = SDA;
SCL = 1;
delay;
SCL = 0;
delay;

I ² C 結束訊號

當 I ² C 完成資料發送或接收後，便要執行結束訊號
要發送開始訊號，先讓序列時脈保持高電壓，再將序列資料由低電壓到高電壓

SCL = 1;
SDA = 0;
delay;
SDA = 1;

SPI 協定

SPI 並列連接

並列連接的優點是微控制器可以獨立控制每個不同的 SPI從機
但缺點是每增加一個 SPI從機，微控制器便需要多一支 SS引腳

SPI 串列連接

串列連接的優點是將連接的責任交給從機，降低微控制器線路的負擔
但缺點是需要傳送多次空訊號，才能將實際訊號送達節點多的從機

不論並列連接還是串列連接，SPI 最少使用

SCK(序列時脈)
MOSI(主機輸出從機輸入)
SS(從機選擇)

需要3條電路才可以傳送資料
如果要接收資料便需要 MISO(主機輸入從機輸出) 第4條電路

SPI 沒有從機上限，只要主機能夠選擇從機便可以將訊號及資料傳送到從機
即是 MCU最少電路數量 = 2 + 總從機數量 (+1)
沒有速度模式，速度介乎於 10 Mbps 至 80 Mbps 之間
(SPI 最慢的速度都比 I ² C 的超高速模式還要快)

SPI 次序

SPI 區分最高有效位及最低有效位 (Least Significant Bit (LSB)) 兩種次序
最低有效位即是資料由第0 至第n-1 的次序運作

SPI 模式

SPI 有 2種極性(Polarity) 及 2種取樣(Phase) ，共 4種模式
極性為序列時脈閒置(Idle) 的狀態
取樣為

低電壓時，當序列時脈由閒置轉變為運作時獲取序列輸入的狀態
高電壓時，當序列時脈由運作回到為閒置時獲取序列輸入的狀態

模式	極性	取樣
0 (最常使用)	低	低
1	低	高
2	高	低
3	高	高

	取樣低	取樣高
極性低	模式0 data = 0; SS = 0; SCK = 0; delay; for i from 7 to 0 { MOSI = 0 or 1; SCK = 1; delay; data \|= MISO << i SCK = 0; delay; } SS = 1;	模式1 data = 0; SS = 0; SCK = 0; delay; for i from 7 to 0 { SCK = 1; delay; MOSI = 0 or 1; SCK = 0; delay; data \|= MISO << i } SS = 1;
極性高	模式2 data = 0; SS = 0; SCK = 1; delay; for i from 7 to 0 { MOSI = 0 or 1; SCK = 0; delay; data \|= MISO << i SCK = 1; delay; } SS = 1;	模式3 data = 0; SS = 0; SCK = 1; delay; for i from 7 to 0 { SCK = 0; delay; MOSI = 0 or 1; SCK = 1; delay; data \|= MISO << i } SS = 1;

取樣低

取樣高

極性低

模式0

data = 0;
SS = 0;
SCK = 0;
delay;
for i from 7 to 0 {
	MOSI = 0 or 1;
	SCK = 1;
	delay;
	data |= MISO << i
	SCK = 0;
	delay;
}
SS = 1;

模式1

data = 0;
SS = 0;
SCK = 0;
delay;
for i from 7 to 0 {
	SCK = 1;
	delay;
	MOSI = 0 or 1;
	SCK = 0;
	delay;
	data |= MISO << i
}
SS = 1;

極性高

模式2

data = 0;
SS = 0;
SCK = 1;
delay;
for i from 7 to 0 {
	MOSI = 0 or 1;
	SCK = 0;
	delay;
	data |= MISO << i
	SCK = 1;
	delay;
}
SS = 1;

模式3

data = 0;
SS = 0;
SCK = 1;
delay;
for i from 7 to 0 {
	SCK = 0;
	delay;
	MOSI = 0 or 1;
	SCK = 1;
	delay;
	data |= MISO << i
}
SS = 1;

SPI訊號衝突

當使用並列連接時，會將所有從機裝置的 MISO 都會連在一起傳回給 MCU
即使相同型號的晶片都有機會發出不同的訊號，導致訊號衝突
除非 MCU 不需要接收從機的訊號，否則 MCU 每次操作都應該只選取一個從機傳送資料

總結

從比較中會發現 I ² C 即使使用超高速模式，仍然不及 SPI 的低速度，因此經常發現很多電子產品都是使用 SPI
雖然比較下當裝置越多， SPI 便需要更多電路，但在受限制的平台上，所使用的裝置實際上不會太多

但如果不受限制的平台，例如 Arduino, Raspberry Pi 等平台
當要自製裝置時，便可能需要考慮不同協定的可行性
例如要接駁裝置多，但不需要速度快，便可以考慮 I ² C ；接駁裝置少，但需要速度快，便可以考慮 SPI

參考資料

焊接表面黏著零件使用 ESP8266 向伺服器發出 HTTP 請求

UART VS I2C VS SPI

UART 協定

UART 引腳

UART 速度

UART 訊號

I 2 C 協定

I 2 C 引腳

I 2 C 地址

I 2 C 速度

I 2 C 訊號

I 2 C 開始訊號

I 2 C 地址訊號

I 2 C 資料訊號

I 2 C 結束訊號