串口通信、IIC时序整理

一、串行通信与并行通信

并行通信是指多个比特同时通过并行线进行传输，这种方式的传输速率较高，但会占用大量的芯片资源；

串行通信是指将数据拆分成一个个比特，按照先后次序在一根总线上进行发送，串行通信有着系统占用资源少，结构简单等优点，是主机间通信的常用方式。

串口通信(Serial Port)是串行通信的一种，属于串行通信中的异步通信。

串口通信是串行通信的一种具体实现，指的是使用串行通信接口（如RS-232、RS-485、USB串行接口等）进行的数据传输。串口通信通常涉及一个物理接口，如电脑上的COM端口或微控制器的UART（通用异步收发传输器）接口，用于将并行数据转换为串行数据，以便通过串行链路进行传输。串口通信可以是全双工（同时发送和接收数据）、半双工（发送和接收数据不能同时进行）或单工（仅在一个方向上传输数据）。

主机间通信无论采用并行还是串行方式，都无法避免一个物理现象：导线内阻不为零造成的电压衰减，传递的信号会减弱。主机之间的距离会造成高电平在接收端出现衰减现象和串扰(指不同信号之间相互干扰导致信号失真)影响。

TTL电平： TTL（Transistor-Transistor Logic）电平是微处理器和许多数字电路中常用的信号电平标准。在TTL电平中，逻辑“1”通常表示为+5V，逻辑“0”表示为0V。随着技术的发展，也有3.3V TTL电平，逻辑“1”为3.3V。TTL电平信号可以直接连接到微控制器的GPIO引脚，但是它的驱动能力和抗干扰能力较弱，不适合长距离传输。
RS232： RS232是最早被广泛使用的串行通信标准之一，主要用于PC和其他设备之间的短距离通信。RS232采用负逻辑电平，即逻辑“1”表示为-3V至-15V，逻辑“0”表示为+3V至+15V。这种电平标准提高了信号的抗干扰能力，适合于长距离通信（尽管实际上距离有限，一般不超过15米）。RS232接口通常需要一个电平转换芯片（如MAX232）将TTL电平转换为RS232电平，反之亦然。
RS485和RS422： RS485和RS422是两种差分信号通信标准，相比RS232，它们提供了更好的抗噪声性能和更远的传输距离。两者的主要区别在于RS485支持半双工通信，而RS422支持全双工通信。在RS485和RS422中，信号是通过一对差分线传输的，逻辑“1”表示为两线之间的正电压差，逻辑“0”表示为负电压差，通常电压差为±2V至±6V。RS485和RS422同样需要电平转换芯片将TTL电平转换为差分电平。

strlen()计算字符数组的字符数，以"\0"为结束判断，不计算为'\0'的数组元素。

而sizeof计算数据（包括数组、变量、类型、结构体等）所占内存空间。

二、串口通信

在实际应用中，串口通信通常采用异步模式，而对于通信方式，RS-232通常支持全双工通信，而RS-485可以配置为半双工或全双工（通过适当的硬件设计），RS-422则默认支持全双工通信。

作为常用的串行通信方式，以TTL为例，串口通信在不同主机之间的数据格式为：

空闲时数据线为高电平；
发送发发送一个低电平表示起始位；
发送的第一个比特是最低为(最右边);
校验位分为奇校验，偶校验和无校验。奇偶校验时数据位1的格式为奇数或者偶数时对应的奇偶校验位为1；
为保证下一个字节发送前的起始位能够表现出来，校验位之后发送一个停止位1。

三、IIC

一种同步串行半双工通信总线方式。该总线允许同时连接多个设备(芯片)。每块芯片在总线上拥有特定的地址。

IIC总线在某一时刻，总线只允许有一个设备处于发送状态，所发出的数据被总线上所有的设备所接收。IIC通信协议包含有设备地址，只有发送方携带的地址与某个接收方的地址相同时，接收方才真正执行相关的指令。

IIC总线规定，设备在空闲时，两根总线都处于高电平状态。为保证这种状态，数据线SDA和时钟线SCL都要外接上拉电阻。上拉电阻的阻值一般位4.7~10K。距离越远，上拉电阻阻值配置越小，越近阻值越大。

IIC的时序

1.起始位

由于空闲时SDA和SCL都是高电平状态，每次通信前，发送方首先发送一个“起始”信号，其实信号就是在SCL为高电平时，SDA发送一个低电平。当其它设备接收到这个其实信号后，将进行一次“总线仲裁”。意思就是设备(除发送其实信号的那个设备以外的)都将处于聆听状态。

2.数据位

IIC总线进行数据传送时，时钟线(SCL)上的信号为高电平期间，数据线(SDA)上的数据必须保持稳定。只有在时钟线(SCL)上的信号为低电平期间，数据线(SCL)上的高电平或低电平状态才允许变化。同时，SCL信号由数据启动发送的设备提供。输出到数据线(SDA)上的每个字节必须是8位。数据传送时，先传送最高位(MSB)，后传送最低位(LSB)，与串口通信刚好相反。

3.应答位

发送器每发送一个字节（8个bit），就在时钟脉冲 9 期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。主机SCL拉高，读取从机SDA的电平。对于反馈有效应答位ACK的要求是：接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将数据线SDA拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

应答分两种情况：数据线(SDA)为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；数据线(SDA)为高电平时，规定为非应答位（NACK），表示接收器没有成功接收该字节。

4.停止位

当发送方发送完最后一个bit后，需要发送一个结束标志来终止整个通信过程。当时钟线SCL 为高电平时，数据线SDA 由低电平向高电平跳变（与起始信号刚好相反）。

完整时序图

IIC的设备地址

由于IIC总线的多设备设计，为了能够在通信时能够将数据发送给正确的设备，每个设备都具有一个独一无二的地址。并且IIC在每次启动通信后的第一个字节就是需要接收数据的设备的地址。这一个字节的地址中其实真正的地址只有7位，最低位事实上代表的是方向位用来表示接下来数据传输的方向。0表示主设备向从设备(write)写数据，1表示主设备向从设备(read)读数据。例如某个IIC芯片的设备地址为0xA0，当主机发送0xA0时表示要向该设备写入数据，当主机发送0xA1时，表示要从该设备读取数据。

使用IIC具体收发过程

写（发）数据操作：

开始信号；
发送 I2C 设备地址，每个 I2C 器件都有一个设备地址，通过发送具体的设备地址来决定访问哪个 I2C 器件。这是一个 8 位的数据，其中高 7 位是设备地址，最后 1 位是读写位，为1 的话表示这是一个读操作，为 0 的话表示这是一个写操作；
I2C 器件地址后面跟着一个读写位，为 0 表示写操作，为 1 表示读操作；
从机发送的 ACK 应答信号；
重新发送开始信号；
发送要写写入数据的寄存器地址；
从机发送的 ACK 应答信号；
发送要写入寄存器的数据；
从机发送的 ACK 应答信号；
停止信号

读（收）数据操作分为 4 大步：

第一步是发送设备地址

第二步是发送要读取的寄存器地址

第三步重新发送设备地址

最后一步就是 I2C 从器件输出要读取的寄存器值