串口通信和SPI通信详解

0、背景

在现代嵌入式系统中，通信是不同模块之间交换数据的核心。串口通信和 SPI（串行外设接口）是两种常见的通信方式，它们各自有独特的优势和适用场景。

1、串口通信

1.1、串口通信概念

串口通信是一种常见的异步串行通信协议。它用于在计算机、微控制器和其他嵌入式设备之间传输数据。数据通过单根数据线（TX）从发送端传输到接收端，接收端通过**另一根数据线（RX）**接收。

1.2、串口通信工作原理

串口通信的基本原理非常简单，它将数据以比特为单位逐个发送，数据在发送和接收过程中没有时钟信号进行同步，而是依赖数据的起始位、数据位、停止位和校验位来控制数据传输。

起始位（Start Bit）：每个数据包的开始会有一个固定的电平信号，表示数据的开始。
数据位（Data Bits）：数据本身，通常是 5、6、7 或 8 位二进制数据。
校验位（Parity Bit）：用于简单的错误检查，可以选择偶校验、奇校验或者不使用校验位。
停止位（Stop Bit）：数据包结束时，会有一个固定的信号电平，表示数据包的结束。
当然可以选择不使用校验位和停止位。

1.3、波特率

波特率（Baud Rate）是串口通信中非常重要的一个参数，它决定了数据的传输速度。波特率表示每秒钟信号变化的次数（单位：bps），也就是每秒钟传输的比特数。波特率越高，通信速度就越快，但也可能因为信号衰减、噪声干扰或硬件限制导致传输不稳定。

常见的波特率：9600 bps、115200 bps、921600 bps等。
- 波特率与数据传输速率：波特率并不等于有效数据的传输速率。由于串口通信中的数据包通常包括起始位、数据位、校验位和停止位，因此有效数据速率要低于波特率。例如，如果波特率为 9600 bps，每个字符使用 8 位数据位，且不使用校验和停止位，那么实际的有效数据传输速率为 9600 / 8 = 1200 字符每秒。

1.4、串口通信优缺点

1）优点：

简单易用：硬件模块非常简单，很多微控制器（MCU）都内建UART模块，便于开发和使用。
低成本：由于硬件简单，通信的成本较低。
普遍性：几乎所有的嵌入式设备和计算机都支持串口通信。
无需时钟同步：由于是异步通信，发送端和接收端不需要共享时钟信号，减少了时钟同步的复杂性。
2）缺点：
传输速度较慢：相较于SPI和I2C等协议，串口通信的传输速度较低，无法满足高速数据传输的需求。
单向数据传输：虽然可以实现全双工通信，但依然是一个单独的点对点通信，不能支持多点通信。
长距离受限：串口通信在长距离传输时，由于信号衰减和噪声影响，传输稳定性会下降。

1.5、串口通信应用场景

调试和诊断：UART常用于设备的调试接口，开发者可以通过串口与设备进行通信，查看输出信息。
低速数据传输：适用于一些低速、短距离的通信场合，如GPS模块、温湿度传感器、蓝牙模块等。
电脑与外设通信：传统的电脑与外设（如串口鼠标、键盘）通信也基于串口。

2、SPI通信

2.1、SPI通信概念

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步串行通信协议，主要用于微控制器（MCU）与外部外设之间的高速数据交换。与UART通信不同，SPI是同步通信协议，这意味着数据传输由时钟信号（SCLK）同步，确保发送和接收端的数据按时采样和传输。它由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成，通常用于短距离、高速的数据传输。SPI协议的通信是全双工的，这意味着数据可以同时在两个方向上传输，从而提高了传输效率。

2.2、SPI通信工作原理

SPI协议的通信工作原理基于时钟同步，主设备生成时钟信号，通过时钟信号来同步数据传输。SPI通信涉及四条主要信号线：

MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送给从设备的数据线。
MISO（Master In Slave Out）：从设备发送给主设备的数据线。
SCK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备提供，用来同步数据的传输。
SS（Slave Select）：从设备选择线。主设备通过SS线来选择与哪个从设备进行通信。每个从设备都需要一个独立的SS线。
SPI传输的时序由时钟信号（SCK）控制，主设备生成时钟信号，并根据协议设定的时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）来确定数据的采样时机。常见的时序控制方式有：
CPOL（Clock Polarity）：时钟信号的空闲状态是高电平还是低电平。
CPHA（Clock Phase）：数据的采样是在时钟上升沿还是下降沿。
这些时序控制参数需要主设备和从设备双方一致，以确保数据传输正确，通过这两个选项的组合，有4种模式。

2.3、SPI传输速率

SPI的传输速率主要取决于时钟信号（SCK）的频率。由于SPI是同步通信协议，时钟频率可以达到较高的值，通常在几百KHz到几十MHz之间，甚至某些系统可以达到几百MHz。与其他通信协议（如UART）相比，SPI通常具有更高的传输速率。SPI的速度高效且适用于需要快速传输的应用场合。例如，SPI常用于存储设备的读写操作，因为读取存储器中的数据需要较高的速率。然而，SPI的传输速率会受到线路质量、信号衰减、设备限制等因素的影响，在较长距离的通信中，传输速率会受到限制，因此SPI适用于短距离高速通信。

2.4、SPI通信优缺点

1）优点

高速传输：SPI支持高频时钟信号，能够实现较高速的数据传输。典型的SPI传输速率可达到几十兆赫兹，适合于高速应用。
全双工通信：SPI是全双工通信协议，数据可以同时在两个方向上传输，提高了通信效率。
硬件实现简单：SPI协议不需要复杂的协议栈和管理，硬件实现相对简单，易于在嵌入式系统中实现。
多设备支持：通过多个独立的SS（Slave Select）线，SPI支持与多个从设备进行通信，适合与多个外设交互。
低延迟：由于SPI是同步通信，相较于异步协议，数据传输的延迟较低。
2）缺点
引脚占用多：SPI通信需要至少4条信号线（MOSI、MISO、SCK、SS），如果要支持多个从设备，每个从设备都需要一个独立的SS线，这可能会占用较多的GPIO引脚，限制了系统的扩展性。
距离限制：尽管SPI速度较快，但信号衰减和噪声干扰会影响较长距离的数据传输，因此SPI适用于短距离通信。
不支持多主设备：SPI协议设计为单主设备模式，不支持多个主设备共同控制同一条总线，这在某些应用中可能是一个限制。
复杂的布线和电路设计：多从设备的SPI连接会导致复杂的布线和电路设计，需要合理规划SS线的连接。

2.5、SPI通信应用场景

SPI由于其高速度、全双工、低延迟等特点，广泛应用于需要高速数据传输的场合，常见的应用包括：

存储器接口：SPI常用于连接各种存储设备，如Flash存储器、EEPROM、SD卡等。由于其高速数据传输能力，SPI成为连接存储器的主要通信协议。
传感器接口：许多高速传感器，如温湿度传感器、加速度计、陀螺仪等，支持SPI通信，能够提供快速的数据传输。
显示模块：许多LCD、OLED等显示模块使用SPI协议与主控芯片进行通信，适用于需要快速更新显示内容的场景。
无线模块通信：SPI广泛应用于无线通信模块（如Wi-Fi、蓝牙模块）与主设备之间的数据交换，能够满足无线通信中高速传输的需求。
数字信号处理器（DSP）和模拟信号处理：在一些音频处理、视频处理的应用中，SPI用于处理器与其他数字或模拟外设之间的高速数据交换。

3、串口通信和SPI通信对比

特性	串口通信	spi通信
通信方式	异步通信（无需时钟信号）	同步通信（需要时钟信号）
传输速率	低（通常在9600bps到115200bps之间）	高（通常在几百KHz到几十MHz之间）
传输方式	半双工或全双工（数据传输有时延）	全双工（数据同时传输）
硬件连接	2根线（TX，RX）	至少4根线（MOSI，MISO，SCK，SS）
应用场景	低速数据传输、调试接口、点对点通信	高速数据传输、存储设备、传感器、高速外设接口
多设备支持	不支持多设备通信	支持多个从设备（通过SS线选择设备）
通信距离	适合中长距离传输，但受信号衰减影响	适合短距离传输，信号衰减较严重
优点	简单、低成本、普遍支持	高速、全双工、支持多个设备
缺点	传输速率较慢、无法同时传输数据	占用多个引脚、不支持多主设备