SPI通信协议与UART通信协议有什么区别，各自的特点是什么？时序上是怎么区别的？

SPI是三线或者四线(CS CLK DI DO)
UART是两线制(TXD RXD)
SPI一般是CS=0启动传输,以CLK作为同步信号,不含启动位停止位等
UART传输信号中包含了启动位和停止位等,本身就可作为同步信号使用
SPI一般没有标准的通信速率
UART一般都是使用标准的通信波特率
这些都是个人的理解,如果要官方的说法下一个标准的协议看就是了

区别：SPI：高速同步串行口。
3～4线接口，收发独立、可同步进行 UART：通用异步串行口。
按照标准波特率完成双向通讯，速度慢 SPI:一种串行传输方式，三线制，网上可找到其通信协议和用法的 3根线实现数据双向传输 串行外围接口 Serial peripheral interface UART:通用异步收发器 UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。
有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终 端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了 。
作为接口的一部分，UART还提供以下功能： 将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。
将计算机外部来的串行 数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。
在输出的串行数据流中加入 奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。
在输出数据流中加入启停标记， 并从接收数据流中删除启停标记。
处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠票也是 串行设备）。
可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。
有一些比较高档的UART 还提供输入输出数据的缓冲区，现在比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数 据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。
现在如果购买一个内置的 调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。
I2C:能用于替代标准的并行总线，能连接的各种集成电路和功能模块。
I2C是多主控总线，所以任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线。
总线上每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备它们自己的能力，它们可以作为发射器或接收器工作。
多路微控制器能在同一个I2C总线上共存。

区别：SPI：高速同步串行口。
3～4线接口，收发独立、可同步进行 UART：通用异步串行口。
按照标准波特率完成双向通讯，速度慢 SPI:一种串行传输方式，三线制，网上可找到其通信协议和用法的 3根线实现数据双向传输 串行外围接口 Serial peripheral interface UART:通用异步收发器 UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。
有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终 端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了 。
作为接口的一部分，UART还提供以下功能： 将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。
将计算机外部来的串行 数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。
在输出的串行数据流中加入 奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。
在输出数据流中加入启停标记， 并从接收数据流中删除启停标记。
处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠票也是 串行设备）。
可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。
有一些比较高档的UART 还提供输入输出数据的缓冲区，现在比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数 据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。
现在如果购买一个内置的 调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。
I2C:能用于替代标准的并行总线，能连接的各种集成电路和功能模块。
I2C是多主控总线，所以任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线。
总线上每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备它们自己的能力，它们可以作为发射器或接收器工作。
多路微控制器能在同一个I2C总线上共存。

SPI是串行扩展总线。
串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。同时系统的更改和扩充极为容易。
常用的串行扩展总线有：I2C（Inter IC Bus)总线、单总线（1-WIRE BUS)、SPI（Serial Peripheral Interface）总线及Microwire/PLUS等。
一、SPI协议
SPI总线是微控制器四线的外部总线。SPI没有明文标准，是一种事实总线，对通信 *** 作的实现由芯片厂商和驱动开发者通过data sheet和application notes沟通实现的细节。SPI是四根信号线协议，如下：
SCLK：Serial Clock(Output from master);
MOSI：Master Output Slave Input(Outpt from Master);
MISO：Master Input Slave Output(Output from Slave);
SS：Slave Select(Active low,Output from Master);
二、 SPI协议通信
SPI是单主设备通信，总线中只有一个设备发起通信，能发起通信的设备称为主设备。当SPI主设备想读/写从设备时，首先拉低对应从设备的SS线（SS是低电平有效）；然后发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到MOSI实现写，同时可以对MISO线采样实现读。
三、SPI *** 作模式
SPI有四种 *** 作模式：模式0、模式1、模式2、模式3。
这几个模式之间的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（即时钟信号无效时是高还是低）。每种模式由两个参数描述，称为时钟极CPOL（clock polarity）与时钟期CPHA（clock phase）。
Mode = Bit[CPOL]Bit[CPHA]
CPOL=0表示 SCK在空闲状态时为0；
CPOL=1表示 SCK在空闲状态时为1；
CPHA=0表示 在SCK第一个边沿时输入输出数据有效；
CPHA=1表示 在SCK第二个边沿时输入输出数据有效；
一般从器件的工作模式是固定的，主机要跟从机采用一样的工作模式，双方才能正常通信。如果有多个从设备，且从设备使用了不同的工作参数，那么主设备与不用的从设备通信时必须重新配置这些参数。
31 Mode0
Mode0时，CPOL=0，CPHA=0，SCK空闲状态为低电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。
32 Mode1
Mode1时，CPOL=0，CPHA=1，SCK空闲时为低电平，在SCK第二个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。
33 Mode2
Mode2时，CPOL=1，CPHA=0，SCK空闲时为高电平，在SCK第一个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。
34 Mode3
Mode3时，CPOL=1，CPHA=1，SCK空闲状态为高电平，主机数据在第二个边沿时有效，即每个上升沿被从机采样，数据输出同理。
四、SPI基本时序
SS为低电平时，表示对应的从机设备被使能，在每个SCK周期可以传输1Bit数据，采样时刻取决于器件支持的SPI mode，根据不同SPI器件的控制方法，在进行正式的数据读写 *** 作前，一般需要先写入控制字，然后是寄存器地址和数据。
如下是FM25V05铁电存储器采用SPI模式0的写时序，SS(CS)被拉低，主机数据在每个上升沿被从机采样，Opcode是控制字，控制字采样结束后开始采样数据。
如下是FM25V05铁电存储器采用SPI模式0的读时序：
需要注意的是在SS下降沿和SCLK第一个边沿，或SS上升沿和SCLK最后一个边沿之间要留有一定的延迟时间，一般是05个SCLK周期。
SPI协议简介
板卡内不同芯片间通讯最常用的三种串行协议：UART、I2C、SPI，之前写过串口协议及其FPGA实现，今天我们来介绍SPI协议，SPI是Serial Perripheral Interface的简称，是由Motorola公司推出的一种高速、全双工的总线协议。
与IIC类似，SPI也是采用主从方式工作，主机通常为FPGA、MCU或DSP等可编程控制器，从机通常为EPROM、Flash，AD/DA，音视频处理芯片等设备。一般由SCLK、CS、MOSI，MISO四根线组成，有的地方可能是：SCK、SS、SDI、SDO等名称，都是一样的含义，当有多个从机存在时，通过CS来选择要控制的从机设备。和标准SPI类似的协议，还有TI的SSP协议，区别主要在片选信号的时序上。
4线还是3线？
当我们谈到SPI时，默认情况下都是指标准的4线制Motorola SPI协议，即SCLK，MOSI，MISO和CS共4根数据线，标准4线制的好处是可以实现数据的全双工传输。当只有一个主机和一个从机设备时，只需要一个CS，多个从机需要多个CS，各数据线的介绍：
SCLK，时钟信号，时钟频率即SPI速率，和SPI模式有关
MOSI，主机输出，从机输入
MISO，主机输入，从机输出
CS，从机设备选择，低电平有效
3线制SPI，根据不同的应用场景，主要有以下2种类型：
只有3根线：SCLK，CS和DI或DO，适用于单工通讯，主机只发送或接收数据。
只有3根线：SCLK，SDIO和CS，这里的SDIO作为双向端口，适用于半双工通讯，比如ADI的多款ADC芯片都支持双向传输。在使用FPGA *** 作双向端口时，作为输入时要设置为高阻态z。
还有标准SPI协议的升级版，Dual SPI、Quad SPI和QPI等，这些协议不在本小节3线/4线制讨论的范围内，文章后面会提到。
4种工作模式
既然是进行数据传输，双方就要明确从机在什么时刻去采样主机发出的数据，主机在什么时刻去读取从机发来的数据。对于STM32等MCU自带的硬件SPI外设来说，可能没有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是对于使用使用GPIO模拟或者FPGA来实现SPI的时序，这一点是非常重要的，这就涉及到SPI标准协议的工作模式了，通过CPOL（Clock Polarity）时钟极性和CPHA（Clock Phase）时钟相位的不同组合，可以分为4种模式。
一般从机器件的工作模式是固定的，主机需要采用一样的工作模式，双方才能正常“交流”。
CPOL=0表示，SCK在空闲状态时为0
CPOL=1表示，SCK在空闲状态时为1
CPHA=0表示，在SCK第一个边沿时输入输出数据有效
CPHA=1表示，在SCK第二个边沿时输入输出数据有效
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这四种模式中，应用最广泛的是模式0和3，大多数SPI器件都同时支持这两种工作模式，其实这些都不重要，具体采用什么模式，看你的器件手册就知道了。
以我最近工作中使用到的一款Cypress的铁电存储器FM25V05为例，在其官方DataSheet上介绍同时支持SPI Mode 0和Mode 3，
根据后面的时序图，可以得知SPI mode 0的读写时序，图中可以看出SCK空闲状态为低电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。
对于SPI mode3，SCK空闲状态为高电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。
模式1和模式2同理，模式1即CPOL=0，CPHA=1，SCK空闲为0，在SCK第二个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。
模式2即CPOL=1，CPHA=0，SCK空闲为1，在SCK第一个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。
在一些自带SPI硬件外设的MCU上，设置主机的SPI模式非常简单，只需要配置几个寄存器的值即可，而且是写了SCK高电平还是低电平，和第一个还是第二个边沿，不用去记忆等于0还是等于1。以STM32F103硬件SPI配置为例：
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
SPI_InitStructSPI_Mode =SPI_Mode_Master; //主

SPI_InitStructSPI_CPOL =SPI_CPOL_High; //SCK空闲时为高电平
SPI_InitStructSPI_CPHA =SPI_CPHA_1Edge;//SCK第一个边沿有效

SPI_Init(SPI2,&SPI_InitStruct);
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而在FPGA中实现，需要严格根据时序来控制SCK和数据的输入输出。
多种传输速率
SCK的速率就是SPI的传输速率，SPI协议没有一个固定的速率，不像IIC标准模式100K，快速模式400K，高速模式34M，SPI的传输速率取决于器件本身支持多高的速率，器件手册里都有描述，以FM25V05为例：
不同电源电压情况下的最大SCK时钟频率：
SPI协议的基本时序
CS为低电平时，表示对应的从机设备被使能，在每个SCLK周期可以传输1Bit数据，采样时刻取决于器件支持的SPI mode，根据不同SPI器件的控制方法，在进行正式的数据读写 *** 作前，一般需要先写入控制字，然后是寄存器地址和数据。下图是FM25V05铁电存储器采用SPI模式0的写时序：
读时序：
如果要使用FPGA来实现SPI时序，在CS下降沿和SCLK第一个边沿，或CS上升沿和SCLK最后一个边沿之间要留有一定的延迟时间，一般是05个SCLK周期。
一些SPI从机设备支持菊花链连接模式，即节省GPIO，又不会占据太多布线面积，但并不是所有的SPI器件都支持菊花链模式。
控制时序：
SPI协议的升级版
传统标准的SPI协议，一个SCLK周期只能传输1Bit数据，能不能一个SCLK传输多个Bit数据呢？答案是可以的。Motorola公司在现有的标准4线SPI协议上，又开发出了多种SPI协议的升级版，通过增加数据线位数的方式，来提高数据传输的效率，目前很多Flash厂家都已经支持多种SPI协议。
以比较常用的一款SPI Flash ROM W25Q128FW为例，在其器件手册上写着除了标准的4线SPI模式，还支持Dual SPI，Quad SPI，QPI等，在这几种模式下，IO0/1/2/3这些IO作为双向端口，大大增加了数据读写的速率。
QSPI协议读写时序：
一些支持QSPI协议的Flash芯片型号：
FPGA实测SPI波形
FPGA实现UART、SPI、IIC等串行时序，最常用的实现方式就是状态机大法，将各个步骤分解为各个状态，然后根据不同的状态去控制输出或读取输入，细节方面需要考虑数据的对齐、建立和保持时间、一些异常情况时状态的跳转，不能进入死循环，或卡死在某一个状态。
下图的波形是使用Xilinx FPGA对一款铁电存储器FM25V05的驱动，采用标准4线SPI协议，和IIC接口的ERPOM *** 作方式类似：先写控制字，再写地址，再写数据或者读数据，SCK时钟频率40MHz，使用ChipScope抓取到的实际读写波形，在SCK低电平中间数据改变，在SCK上升沿左右数据要保持稳定。
SPI写时序，需要注意的是先写使能命令，然后重新产生CS信号，这一块卡了好久，在官方示例的C代码中才发现了问题所在，还是对手册上的时序理解不到位。
FM25V05写时序
SPI读时序，先写控制字，再写16位地址，然后读8位数据。
FM25V05读时序
SPI和IIC的对比
SPI是全双工，而IIC是半双工。
IIC支持多主机多从机模式，而SPI只能有一个主机。
从GPIO占用上来看，IIC占用更少的GPIO，更节省资源。
SPI的数据位宽更灵活，可以根据需要选择多位数据宽度。
SPI协议没有响应机制，主机无法得知从机是否接收到所发的数据，如果不采取一些方法的话可能会导致数据丢帧

1、接口标准不同

串口通信可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。SPI通信由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准。

2、使用线的根数不同

串口通信可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。spi通信是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线。I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线，它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

3、基本协议不同

串口进行通信过程至少涉及三个层次的协议：物理层协议、数据路层协议和应用层协议。spi通信通常由一个主模块和一个或多个从模块组成，主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换，SPI是一个环形结构。

I2C总线数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟脉冲期间发送器释放SDA 线（高）。在响应的时钟脉冲期间，接收器必须将SDA 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。

扩展资料

串口通信原理

串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。

比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。

由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配

参考资料来源：百度百科—串口通信

参考资料来源：百度百科—SPI

参考资料来源：百度百科—I2C总线

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