本文基于STM32嵌入式开发实践，系统梳理常用通信协议的技术要点。
在单片机开发中，UART、I2C、RS485等通信协议应用广泛，但许多开发者对其特性区分存在模糊认识。本文将对这些通信协议进行全面整理和对比，帮助读者建立清晰的概念体系。
UART：通用异步收发器
硬件接口与特性
- UART是一种物理接口形式，采用异步、全双工串口总线
- 包含两根信号线：TXD（发送）和RXD（接收）
- 无需时钟信号同步，依赖发送和接收设备间预定义的配置参数
帧结构配置
- 起始位：标志数据传输开始，电平逻辑为"0"
- 数据位：可选5、6、7、8、9位，通常采用8位（对应ASCII字符）
- 奇偶校验位：用于数据校验，可选偶校验或奇校验
- 停止位：表示帧结束，电平逻辑为"1"
应用提示
使用通用IO口模拟UART总线时，需要配置一个输入口和一个输出口。STM32开发中常见应用实例如按键触发串口数据发送。
I2C：双向两线式串行总线
总线构成
- 同步、半双工双向两线制总线
- 包含串行时钟线SCL和串行数据线SDA
设备角色
- 主设备：控制通信，初始化数据传输，产生同步时钟脉冲
- 从设备：等待主设备命令并响应
- 时钟信号始终由主设备产生
实现要点
使用通用IO口模拟I2C总线时，SDA需配置为双向输入输出口，SCL为输出口。
SPI：串行外设接口
系统架构
- 同步、全双工双向4线式串行总线
- 采用"单个主设备+多个从设备"架构
- 支持多主设备系统（任意时刻仅一个主设备处于激活状态）
信号线定义
- MOSI：主设备输出，从设备输入
- MISO：主设备输入，从设备输出
- SCLK：串行时钟信号
- SS：从设备选择（低电平有效）
时序模式
由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）共同决定：
- CPOL=0：时钟初始状态为低电平
- CPOL=1：时钟初始状态为高电平
- CPHA=0：在首个时钟变化沿采样数据
- CPHA=1：在第二个时钟变化沿采样数据
三大串行协议对比
| 特性 | UART | I2C | SPI |
|---|---|---|---|
| 通信方式 | 异步 | 同步 | 同步 |
| 双工能力 | 全双工 | 半双工 | 全双工 |
| 信号线数量 | 2线 | 2线 | 4线 |
| 从设备选择 | 无专用线 | 地址选择 | 片选信号 |
| 数据位 | 5-9位可调 | 固定8位 | 通常8位 |
| 传输顺序 | 从低位开始 | 从高位开始 | 从高位开始 |
技术特点分析
- I2C协议相对复杂，需要双向IO支持，使用上拉电阻，抗干扰能力较弱，适合板内芯片通信
- SPI实现简单，不受固定波特率限制
- I2C速度低于SPI，协议更复杂但连线少
串口通信标准系列
RS232串口
- 电气特性 ：负逻辑电平（-3V-15V为"1"，+3V+15V为"0"）
- 传输距离：约15米
- 通信能力：全双工通讯，速率20kbps
- 连接器：DB9接口，常用信号线为RXD、TXD、GND
TTL与RS232转换
单片机TTL电平需通过MAX232等芯片转换才能与RS232设备通信。
RS422串口
- 4信号线+地线（两根发送、两根接收）
- 全双工通信
- 主从架构，从设备间不能直接通信
RS485串口
- 两线半双工传输
- 差分传输，抑制共模干扰
- 电气特性 ：+2V+6V为"1"，-2V-6V为"0"
- 传输性能：最大速率10Mb/s，距离可达千米
- 典型芯片：MAX485，通过RE（接收使能）和DE（发送使能）引脚控制
概念区分要点
- 串口/COM口：物理接口形式（硬件）
- TTL/RS-232/RS-485：电平标准（电信号）
- 嵌入式串口通常指UART口（TTL电平）
- PC的COM口指RS232电平的串行端口
CAN总线
网络特性
- 控制器局域网络，支持分布式实时控制
- 挂载在CAN_H和CAN_L两条信号线上，采用串行差分传输
- 终端需连接120Ω匹配电阻
性能参数
- 通信距离：最远10千米（速率<5Kbps时）
- 通信速率：最高1Mbps（距离<40米时）
仲裁机制
采用"线与"规则：
- 显性电平"0"：覆盖隐性电平"1"
- 高电位为"0"，低电位为"1"
USB通信
基础特性
- 最少4线制，其中2根数据线完成所有数据传输
- 差分传输，半双工通信
- 编码方式：电压电平不变代表逻辑"1"，变化代表逻辑"0"
电平转换
常用CH340G芯片实现USB转TTL功能，串口通信相比USB协议更简单。
SD卡通信
两种模式
- SPI总线模式：单数据线，速度较慢
- SD总线模式 ：4数据线，速度比SPI快数倍
1-WIRE单总线
技术特点
- 异步半双工串行传输
- 单根信号线同时传输时钟和数据
- 速率：通常16.3Kbit/s，最高142Kbit/s
- 接口需加上拉电阻（5K~10KΩ）
典型应用
- 打印墨盒、医疗消耗品识别
- 电路板、配件及外设的识别认证
DMA：直接存储器访问
核心优势
- 独立于CPU，在外设和内存间直接数据传输
- 双向通信，高速访问
- 大大提升CPU效率，是ARM架构的重要特性
类比理解
DMA相当于"数据传输的高速公路"，具有专用、高速的特性。
Ethernet以太网
架构组成
- 协议层：MAC控制器
- 物理层 ：PHY芯片和传输器
接口设计
- 现代主板南桥常集成MAC功能，需外接PHY芯片
- 网络变压器作用：
- 耦合差分信号，增强抗干扰
- 隔离不同设备电平差异
- 隔离直流信号