串口通信和SPI通信詳解

0、背景

在現代嵌入式系統中，通信是不同模塊之間交換數據的核心。串口通信和 SPI（串行外設接口）是兩種常見的通信方式，它們各自有獨特的優勢和適用場景。

1、串口通信

1.1、串口通信概念

串口通信是一種常見的異步串行通信協議。它用于在計算機、微控制器和其他嵌入式設備之間傳輸數據。數據通過單根數據線（TX）從發送端傳輸到接收端，接收端通過**另一根數據線（RX）**接收。

1.2、串口通信工作原理

串口通信的基本原理非常簡單，它將數據以比特為單位逐個發送，數據在發送和接收過程中沒有時鐘信號進行同步，而是依賴數據的起始位、數據位、停止位和校驗位來控制數據傳輸。

起始位（Start Bit）：每個數據包的開始會有一個固定的電平信號，表示數據的開始。
數據位（Data Bits）：數據本身，通常是 5、6、7 或 8 位二進制數據。
校驗位（Parity Bit）：用于簡單的錯誤檢查，可以選擇偶校驗、奇校驗或者不使用校驗位。
停止位（Stop Bit）：數據包結束時，會有一個固定的信號電平，表示數據包的結束。
當然可以選擇不使用校驗位和停止位。

1.3、波特率

波特率（Baud Rate）是串口通信中非常重要的一個參數，它決定了數據的傳輸速度。波特率表示每秒鐘信號變化的次數（單位：bps），也就是每秒鐘傳輸的比特數。波特率越高，通信速度就越快，但也可能因為信號衰減、噪聲干擾或硬件限制導致傳輸不穩定。

常見的波特率：9600 bps、115200 bps、921600 bps等。
- 波特率與數據傳輸速率：波特率并不等于有效數據的傳輸速率。由于串口通信中的數據包通常包括起始位、數據位、校驗位和停止位，因此有效數據速率要低于波特率。例如，如果波特率為 9600 bps，每個字符使用 8 位數據位，且不使用校驗和停止位，那么實際的有效數據傳輸速率為 9600 / 8 = 1200 字符每秒。

1.4、串口通信優缺點

1）優點：

簡單易用：硬件模塊非常簡單，很多微控制器（MCU）都內建UART模塊，便于開發和使用。
低成本：由于硬件簡單，通信的成本較低。
普遍性：幾乎所有的嵌入式設備和計算機都支持串口通信。
無需時鐘同步：由于是異步通信，發送端和接收端不需要共享時鐘信號，減少了時鐘同步的復雜性。
2）缺點：
傳輸速度較慢：相較于SPI和I2C等協議，串口通信的傳輸速度較低，無法滿足高速數據傳輸的需求。
單向數據傳輸：雖然可以實現全雙工通信，但依然是一個單獨的點對點通信，不能支持多點通信。
長距離受限：串口通信在長距離傳輸時，由于信號衰減和噪聲影響，傳輸穩定性會下降。

1.5、串口通信應用場景

調試和診斷：UART常用于設備的調試接口，開發者可以通過串口與設備進行通信，查看輸出信息。
低速數據傳輸：適用于一些低速、短距離的通信場合，如GPS模塊、溫濕度傳感器、藍牙模塊等。
電腦與外設通信：傳統的電腦與外設（如串口鼠標、鍵盤）通信也基于串口。

2、SPI通信

2.1、SPI通信概念

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）是一種同步串行通信協議，主要用于微控制器（MCU）與外部外設之間的高速數據交換。與UART通信不同，SPI是同步通信協議，這意味著數據傳輸由時鐘信號（SCLK）同步，確保發送和接收端的數據按時采樣和傳輸。它由一個主設備（Master）和一個或多個從設備（Slave）組成，通常用于短距離、高速的數據傳輸。SPI協議的通信是全雙工的，這意味著數據可以同時在兩個方向上傳輸，從而提高了傳輸效率。

2.2、SPI通信工作原理

SPI協議的通信工作原理基于時鐘同步，主設備生成時鐘信號，通過時鐘信號來同步數據傳輸。SPI通信涉及四條主要信號線：

MOSI（Master Out Slave In）：主設備發送給從設備的數據線。
MISO（Master In Slave Out）：從設備發送給主設備的數據線。
SCK（Serial Clock）：時鐘信號，由主設備提供，用來同步數據的傳輸。
SS（Slave Select）：從設備選擇線。主設備通過SS線來選擇與哪個從設備進行通信。每個從設備都需要一個獨立的SS線。
SPI傳輸的時序由時鐘信號（SCK）控制，主設備生成時鐘信號，并根據協議設定的時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）來確定數據的采樣時機。常見的時序控制方式有：
CPOL（Clock Polarity）：時鐘信號的空閑狀態是高電平還是低電平。
CPHA（Clock Phase）：數據的采樣是在時鐘上升沿還是下降沿。
這些時序控制參數需要主設備和從設備雙方一致，以確保數據傳輸正確，通過這兩個選項的組合，有4種模式。

2.3、SPI傳輸速率

SPI的傳輸速率主要取決于時鐘信號（SCK）的頻率。由于SPI是同步通信協議，時鐘頻率可以達到較高的值，通常在幾百KHz到幾十MHz之間，甚至某些系統可以達到幾百MHz。與其他通信協議（如UART）相比，SPI通常具有更高的傳輸速率。SPI的速度高效且適用于需要快速傳輸的應用場合。例如，SPI常用于存儲設備的讀寫操作，因為讀取存儲器中的數據需要較高的速率。然而，SPI的傳輸速率會受到線路質量、信號衰減、設備限制等因素的影響，在較長距離的通信中，傳輸速率會受到限制，因此SPI適用于短距離高速通信。

2.4、SPI通信優缺點

1）優點

高速傳輸：SPI支持高頻時鐘信號，能夠實現較高速的數據傳輸。典型的SPI傳輸速率可達到幾十兆赫茲，適合于高速應用。
全雙工通信：SPI是全雙工通信協議，數據可以同時在兩個方向上傳輸，提高了通信效率。
硬件實現簡單：SPI協議不需要復雜的協議棧和管理，硬件實現相對簡單，易于在嵌入式系統中實現。
多設備支持：通過多個獨立的SS（Slave Select）線，SPI支持與多個從設備進行通信，適合與多個外設交互。
低延遲：由于SPI是同步通信，相較于異步協議，數據傳輸的延遲較低。
2）缺點
引腳占用多：SPI通信需要至少4條信號線（MOSI、MISO、SCK、SS），如果要支持多個從設備，每個從設備都需要一個獨立的SS線，這可能會占用較多的GPIO引腳，限制了系統的擴展性。
距離限制：盡管SPI速度較快，但信號衰減和噪聲干擾會影響較長距離的數據傳輸，因此SPI適用于短距離通信。
不支持多主設備：SPI協議設計為單主設備模式，不支持多個主設備共同控制同一條總線，這在某些應用中可能是一個限制。
復雜的布線和電路設計：多從設備的SPI連接會導致復雜的布線和電路設計，需要合理規劃SS線的連接。

2.5、SPI通信應用場景

SPI由于其高速度、全雙工、低延遲等特點，廣泛應用于需要高速數據傳輸的場合，常見的應用包括：

存儲器接口：SPI常用于連接各種存儲設備，如Flash存儲器、EEPROM、SD卡等。由于其高速數據傳輸能力，SPI成為連接存儲器的主要通信協議。
傳感器接口：許多高速傳感器，如溫濕度傳感器、加速度計、陀螺儀等，支持SPI通信，能夠提供快速的數據傳輸。
顯示模塊：許多LCD、OLED等顯示模塊使用SPI協議與主控芯片進行通信，適用于需要快速更新顯示內容的場景。
無線模塊通信：SPI廣泛應用于無線通信模塊（如Wi-Fi、藍牙模塊）與主設備之間的數據交換，能夠滿足無線通信中高速傳輸的需求。
數字信號處理器（DSP）和模擬信號處理：在一些音頻處理、視頻處理的應用中，SPI用于處理器與其他數字或模擬外設之間的高速數據交換。

3、串口通信和SPI通信對比

特性	串口通信	spi通信
通信方式	異步通信（無需時鐘信號）	同步通信（需要時鐘信號）
傳輸速率	低（通常在9600bps到115200bps之間）	高（通常在幾百KHz到幾十MHz之間）
傳輸方式	半雙工或全雙工（數據傳輸有時延）	全雙工（數據同時傳輸）
硬件連接	2根線（TX，RX）	至少4根線（MOSI，MISO，SCK，SS）
應用場景	低速數據傳輸、調試接口、點對點通信	高速數據傳輸、存儲設備、傳感器、高速外設接口
多設備支持	不支持多設備通信	支持多個從設備（通過SS線選擇設備）
通信距離	適合中長距離傳輸，但受信號衰減影響	適合短距離傳輸，信號衰減較嚴重
優點	簡單、低成本、普遍支持	高速、全雙工、支持多個設備
缺點	傳輸速率較慢、無法同時傳輸數據	占用多個引腳、不支持多主設備