I2C

主要特性

• 两根信号线通信：串行数据线SDA、串行时钟线SCL；
• SDA和SCL的输出引脚驱动为开漏输出，外接上拉电阻
• 所有设备通过7位地址软件寻址，高四位由厂家设定，为设备类型，低三位由用户定义
• 所有设备都具有自动应答功能，主机和从机区别在于主机有对SCL的发送权
• 最大挂载数取决于总线上的最大电容值，一般为400pf

工作时序

• 数据读取在SCL为高时发生，所以当SCL为高时，数据要保持稳定
• SCL为高时，SDA从高跳到低为开始信号start，从低跳到高为结束信号stop
• SDA传送字节数没有限制，传送完紧跟应答信号，数据高位在前
  
• 当应答信号为高电平时，为ACK信号，当应答信号为高电平时，为NACK信号
• 主机发送从机接受时，ACK由从机发出，若为NACK，主机直接尝试STOP信号终止后续传输
• 从机发送主机接收时，ACK有主机发出，表示还要接受数据，当接受完后，发送NACK，告知从机读取结束，释放总线，随后主机发送stop命令，将释放总线，结束读操作。

信号传输

• 完整数据传输时序图
  

• 主机写-从机收：开始字节（写）+ 寄存器地址 + 寄存器数据
  

• 主机读-从机发：开始字节（写）+ 要读寄存器地址 + 开始字节（读）+ 寄存器数据
  

UART

主要特性

• 串行、异步、全双工，有两根数据线RX（接受）和RT（发送）
• 数据传输速率用波特率来表示，即每秒传输的二进制位数
• 异步通信以字符为传输单位，字符间的间隔是不固定的，当字符内相邻位的间隔是固定的

信号传输

SPI

主要特性

• 包括4调逻辑线，MISO（主入从出）、MOSI（主出从入）、SCLK（时钟信号）、SS（片选信号）
• 主线在MOSI发送一位数据，从机读取他，从机也需要发送一位数据。尽管在单向传输中也需要。
• 时钟极性：CKP=0时，时钟空闲位低电平
• 时钟相位：CKE=0时，在第一个跳变沿采样，CKE=1时，在第二个跳变沿采样
  

工作时序

信号传输

• 主机先将NSS信号拉低，确保开始接受数据
• 当接收端检测到时钟边沿信号，立即读取信号线上的信号
• 主机发送到从机时，主机产生相应的时钟信号，然后数据一位位的从MOSI发送
• 当主机接受信号时，主机要生成预定数量的时钟信号，从机将数据从MISO发送
• 多从机模式：多NSS和菊花链
  

CAN

主要特性

• 异步通信，由两根信号线CANH和CANL，有开环结构和闭环结果两种
• 两根信号的电压差CANH-CANL表示CAN总线电平，具有良好的抗干扰性
• 没有主从之分，但同一时刻只能由一个节点发送数据，其他节点只能接受数据
• 总线节点没有地址概念，数据以帧位单位传输，分为多种帧
• 采用非破坏性仲裁机制，通过比较帧上标识符（ID）的优先级决定哪个节点发送数据
• 显性电平逻辑值为0，隐形电平逻辑值为1
• 总线具有“线与”特性，0&1=0，当两个节点同时发送信号时，使用这个特性进行总线仲裁
• 位填充：CAN协议规定当发送5个相同位信号时，自动插入一个补码，访问为SOF与CRC之间
• 三种工作模式：REC（接受）和TEC（发送）为错误计数器
  

位时序与同步

位时序

同步

同步规则：

• 一个位只进行一次同步
• 只有上次采样点的总线值和边沿后的总线值不同时，该边沿才能用于调整同步
• 总线空闲时且存在隐形电平到显性电平的边沿时，一定要硬同步
• 非空闲时检测到的同时满足条件1和2，还要满足5和6才进行再同步
• 发送单元观测到自身输出的显性电平有延迟时不进行再同步
• 发送单元在帧起始到仲裁段有多个单元同时发送时，对延迟边沿不在进行同步
  **同步方式：
• 硬同步
  接收单元在总线空闲状态检测出帧起始时进行的同步调整。在检测出边沿的地方不考虑 SJW 的值而认为是 SS 段。
  
• 再同步
  在接收过程中检测出总线上的电平变化时进行的同步调整。每当检测出边沿时，根据 SJW 值通过加长 PBS1 段，或缩短 PBS2 段，以调整同步。但如果发生了超出 SJW 值的误差时，最大调整量不能超过 SJW 值。
  

帧的类型

数据帧

• 帧起始：1位，显性位
• 仲裁段：表示数据的优先级的段，禁止高七位全为隐形
• 控制段：6位，表示数据段的字节数（0到8字节），IDE判断帧格式为标准还是拓展,保留位r0、r1发送时要求位显性电平
• 数据段：包含0到8个字节数据
• CRC段：16位，15位CRC+1位CRC界定符，检查帧传输错误的帧，计算包含CRC段前的所有位
• ACK段：2位，ACK槽+ACK界定符，确定是否正确接受，发送端置隐性，接收端成功接收后置显性
• 帧结束：7位，全为隐形位，表示帧结束

遥控帧

接受单元向发送单元请求发送数据所用的帧

• 与数据帧相比，没有数据段，RTR位为隐形位
• 遥控帧的的数据长度码代表所请求数据帧的数据数据长度码

错误帧

• 错误标志：6个位，全为显性表示主动错误，全为隐形表示被动错误
• 错误界定符：8个位，全为隐形
• 错误检测：
  • 位错误：发送节点检测到总线电平与自身发送位不符。
  • CRC错误：接收节点校验失败。
  • 格式错误：固定字段（如界定符）电平不符协议规定。
  • ACK错误：发送端未收到ACK确认
  • 填充错误：连续出现6个相同的位

过载帧

帧间隔

用来分隔数据帧和遥控帧，将数据帧与遥控帧与前面的任何帧分开

• 延迟传输只存在于被动错误状态的单元刚发送一个消息后

优先级

• 空闲态下，先发送信息的单元获得发送权
• 同时发送时，从仲裁位第一位开始仲裁，显性电平获得发送权
• ID相同的数据帧和遥控帧，RTR为显性的有优先权（数据帧）
• ID相同的标准数据帧和拓展数据帧，IDE为显性有优先权（标准）

传输流程

步骤1：总线空闲检测

• 条件：总线空闲时，所有节点均处于隐性电平（逻辑1）。
• 触发传输：任意节点检测到总线空闲且需发送数据时，启动传输。

步骤2：帧起始（SOF）

• 硬同步：节点发送SOF（显性0），所有接收节点通过硬同步调整位时间，确保时序一致。

步骤3：仲裁段（非破坏性仲裁）

• 逐位竞争：节点同时发送标识符（从最高位开始），并实时监听总线电平。
  • 若节点发送隐性（1）但监听到显性（0），则退出仲裁，转为接收模式。
  • 标识符数值越小（显性位越多），优先级越高。
• 仲裁胜出：仅剩一个节点继续发送，其他节点等待总线空闲后重试。

步骤4：控制段与数据段传输

• 控制段：发送IDE、DLC等信息，指明帧类型和数据长度。
• 数据段：发送0~8字节数据，按DLC指定长度填充。

步骤5：CRC校验

• 生成CRC：发送端计算数据段和部分控制段的CRC值，附加到CRC段。
• 接收端校验：接收节点重新计算CRC，若与接收值不符，触发错误帧。

步骤6：ACK确认

• ACK槽：发送端释放总线（置隐性1），接收节点在ACK槽内回显显性0，表示成功接收。
• ACK失败：若发送端未检测到显性0，视为传输失败，触发重传。

步骤7：帧结束（EOF）

• 结束标志：发送7位隐性1，所有节点确认帧传输完成。
• 总线释放：节点等待总线空闲后，可发起新一轮传输。

I2S

比较

1. 核心特性对比

特性	UART	I2C	SPI	CAN
通信方式	异步（无时钟）	同步（时钟线 SCL）	同步（时钟线 SCK）	异步（基于数据帧）
拓扑结构	点对点	多主多从（总线）	单主多从（总线）	多主多从（总线）
数据线数量	2（TX、RX）	2（SDA、SCL）	4（MOSI、MISO、SCK、SS）	2（CAN_H、CAN_L）
传输速率	低（通常 < 1 Mbps）	中（标准模式 100 Kbps，高速模式 3.4 Mbps）	高（可达 100+ Mbps）	中（1 Mbps 典型）
通信距离	短（< 15m）	短（板内或 < 1m）	短（板内或 < 1m）	长（可达 1km）
错误检测	奇偶校验（可选）	无	无	CRC校验、自动重传
抗干扰能力	弱	弱	弱	强（差分信号）
典型应用	调试接口、简单通信	传感器、EEPROM	高速外设（Flash、LCD）	汽车电子、工业控制

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2. 优缺点分析

UART

• 优点：
  • 简单易用，成本低。
  • 全双工通信（可同时收发）。
  • 无需时钟同步，适合异步场景。
• 缺点：
  • 不支持多设备通信。
  • 速率低，易受时钟偏移影响。
  • 无硬件错误检测（依赖软件校验）。

I2C

• 优点：
  • 仅需两根线，支持多主多从。
  • 地址寻址机制（7/10位地址）。
  • 适合低速、短距离设备互联。
• 缺点：
  • 速率较低（受上拉电阻限制）。
  • 总线冲突需仲裁（可能增加延迟）。
  • 无错误检测和流控机制。

SPI

• 优点：
  • 高速全双工通信。
  • 无地址限制（通过片选信号选择设备）。
  • 灵活性高（时钟极性和相位可调）。
• 缺点：
  • 需要较多引脚（每增加一个从设备需多一个SS线）。
  • 无硬件错误检测和冲突处理。
  • 仅支持单主模式。

CAN

• 优点：
  • 高可靠性（差分信号、CRC校验、自动重传）。
  • 多主架构，支持优先级仲裁。
  • 长距离、强抗干扰能力（适合工业环境）。
• 缺点：
  • 协议复杂，开发成本高。
  • 硬件成本较高（需专用CAN控制器）。
  • 速率较低（高可靠性牺牲了速度）。