通信协议是嵌入式设备 "互联互通" 的核心------无论是单片机与传感器通信、开发板与外设交互，还是设备间数据传输，都离不开 SPI、I2C、RS232/485 这些经典协议。本篇作为 ARM 体系面试系列第四篇，将聚焦5大高频通信协议考点，从 "定义→接口→时序→差异→面试问答" 逐层拆解，既讲清原理，又给出可直接复用的面试应答思路，适合嵌入式工程师入门和面试复习！
1 基础概念：异步传输 vs 同步传输
通信协议的核心分类依据是 "数据同步方式"，这是理解所有协议的基础，先搞懂这两个概念，后续学习事半功倍！
1.1 核心定义与区别
| 传输方式 | 核心特征 | 优缺点 | 典型应用场景 |
| 异步传输 | 无时钟同步信号，数据按 "字节" 独立传输，每个字节前加起始位、后加停止位（如 1 位起始位 + 8 位数据 + 1 位停止位） | ✅ 优点：布线简单（仅需数据线）、设备无需严格时钟同步； ❌缺点：传输速度慢（额外开销位）、抗干扰性一般 | RS232、UART（串口）通信 |
| 同步传输 | 需时钟信号同步（由主机产生），数据按 "帧" 批量传输（帧包含同步头、数据、校验位） | ✅ 优点：传输速度快（无额外开销位）、抗干扰性强； ❌ 缺点：布线复杂（需时钟线）、设备时钟需匹配 | SPI、I2C、RS485（同步模式） |
|---|
1.2 面试简便应答
一句话抓核心： ++"异步传输无时钟，按字节传（带起始/停止位），速度慢；同步传输有时钟，按帧传，速度快；串口是异步，SPI/I2C 是同步。"++
2 工业常用：RS232vsRS485
RS232 和 RS485 是嵌入式工业场景中最常用的串行通信接口，面试高频问 "区别"，需从 4 个维度记忆：
2.1 核心差异对比
| 对比维度 | RS232 | RS485 |
| 传输方式 | 单端通信（不平衡传输）：信号对地参考 | 差分通信（平衡传输）：信号对两根信号线参考（A/B 线） |
| 传输距离 | 短（≤20米），适合近距离设备通信 | 长（≤1200米），适合工业远距离传输 |
| 设备数量 | 点对点通信（1主1从），仅支持1对1连接 | 总线型拓扑（1主多从），最多支持128个设备 |
| 布线与全双工 | 全双工需3根线（TX/RX/GND），半双工 2根线 | 半双工需2根线（A/B），全双工需4根线（A+/A-/B+/B-） |
| 抗干扰性 | 弱（单端信号易受干扰） | 强（差分信号抵消干扰） |
| 传输速率 | 低（最高 20kbps） | 高（最高 10Mbps，距离越短速率越高） |
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2.2 关键原理补充
- RS232电平：逻辑1为-3~-15V，逻辑 0 为 +3~+15V（需电平转换芯片如MAX232）；
- RS485电平：逻辑1为A>B（电压差+2~+6V），逻辑0为A 电压差-2~-6V）（需芯片如 MAX485）；
- 工业场景优先选 RS485：抗干扰强、传输远、支持多设备，是工业总线的首选。
2.3 面试简便应答
++简化记忆："RS232 单端、短距、1 对 1；RS485 差分、长距、多设备；工业用 485，近距离用 232。"++
3 高速同步：SPI 协议
SPI（Serial Peripheral Interface）是高速全双工同步协议，由摩托罗拉提出，广泛用于 Flash、LCD、ADC等外设。
3.1 核心接口（4 根线）
SPI 协议需 4 根信号线（主机提供时钟和片选），每根线的作用是面试必考点：
| 信号线名称 | 英文全称 | 功能描述 |
| MOSI | Master Output, Slave Input | 主机输出→从机输入：主机发送数据到从机 |
| MISO | Master Input, Slave Output | 主机输入→从机输出：从机发送数据到主机 |
| SCLK | Serial Clock | 串行时钟：主机产生，控制通信速率（同步信号），不同设备支持最高速率不同 |
| NSS/CS | Slave Select | 从机选择：低电平有效，主机通过拉低对应从机的 NSS 线选中设备（多从机时必备） |
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关键注意点：
- 多从机连接时：MOSI、MISO、SCLK三线并联，每个从机独占一根NSS线（主机通过 NSS 寻址，无设备地址！）；
- 通信起始/停止：NSS拉低 = 起始，NSS拉高=停止。
3.2 核心时序（数据有效性 + 通讯模式）
SPI 的时序核心是 "时钟极性（CPOL）" 和 "时钟相位（CPHA）"，两者组合形成4种通讯模式，面试常问 "模式0/1/2/3的区别"。
1. 数据有效性规则
- 数据在SCLK的 "边沿" 采样：要么上升沿，要么下降沿；
- 数据传输时MSB先行（高位在前），需确保主从机一致；
- 每次传输可8位或16位为单位，传输长度无限制。
2. CPOL 与 CPHA 定义
| 参数 | 定义 |
| CPOL（时钟极性） | 总线空闲时 SCLK 的电平：CPOL=0→空闲低电平；CPOL=1→空闲高电平 |
| CPHA（时钟相位） | 数据采样时刻：CPHA=0→奇数边沿采样；CPHA=1→偶数边沿采样 |
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3. 4 种通讯模式（重点记模式 0 和模式 3）
| 模式 | CPOL | CPHA | 采样时刻 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | SCLK 上升沿采样 | 大多数外设（如 Flash） |
| 1 | 0 | 1 | SCLK 下降沿采样 | 少数特殊外设 |
| 2 | 1 | 0 | SCLK 下降沿采样 | 极少使用 |
| 3 | 1 | 1 | SCLK 上升沿采样 | STM32 与部分传感器通信 |
3.3 面试高频问答
Q：SPI是全双工还是半双工？如何实现？
A：全双工！MOSI和MISO是两条独立数据线，主机发送数据的同时，从机可同步返回数据，无需切换方向。
Q：SPI多从机时如何寻址？与 I2C的寻址方式有何区别？
A：SPI无设备地址，通过NSS线寻址（拉低对应从机NSS）；I2C通过设备地址（7位/10 位）寻址，无需片选线。
3.4 面试简便应答
SPI 核心考点总结： ++"4线（MOSI/MISO/SCLK/NSS）、全双工、同步传输；4种模式由CPOL/CPHA决定，多从机用NSS寻址，模式0最常用。"++
4 多主多从：I2C 协议
I2C（Inter-Integrated Circuit）是由飞利浦提出的半双工同步协议，仅需2根线（SDA/SCL），支持多主机多从机，广泛用于传感器、EEPROM 等。
4.1 核心接口（2 根线，总线型拓扑）
| 信号线名称 | 英文全称 | 功能描述 |
| SDA | Serial Data | 串行数据线：双向传输数据（主→从/从→主），需上拉电阻（默认高电平） |
| SCL | Serial Clock | 串行时钟线：主机产生（多主机时需仲裁），控制通信速率（标准 100kbps/快速 400kbps） |
|---|
关键注意点：
- 总线空闲状态：SDA和SCL同时为高电平（上拉电阻维持）；
- 多主多从：所有设备SDA/SCL并联，通过设备地址寻址（唯一7位地址）。
4.2 核心时序
I2C 的时序是面试重中之重，需逐个掌握 "起始/停止/数据/应答" 信号的定义：
1. 起始信号（S）
- 条件：SCL为高电平时；
- 动作：SDA由高→低跳变（下降沿）；
- 意义：启动I2C通信，仅主机可发起。
2. 停止信号（P）
- 条件：SCL为高电平时；
- 动作：SDA由低→高跳变（上升沿）；
- 意义：结束I2C通信，主机发起。
3. 数据传输信号
- 条件：SCL为低电平时，SDA可改变电平（准备数据）；
- 采样：SCL为高电平时，SDA电平稳定（高=1，低=0），此时采样数据；
- 规则：每次传输8位数据（1字节），MSB先行。
4. 应答信号（ACK/NACK）
- 位置：每传输1字节后，第9个时钟周期为应答位；
- 发送方：释放SDA（高电平）；
- 接收方：拉低SDA=ACK（有效应答），保持高=NACK（非应答）；
- 特殊情况：主机接收最后1字节后，可发NACK，随后发停止信号结束传输。
4.3 完整读写操作流程（面试必考）
I2C的读写操作核心是 "设备地址+读写位"，设备地址为7位，第8位是读写标志（0=写，1=读）。
1. 写操作流程（主机→从机）
起始信号（S）→ 7位设备地址 + 0（写）→ 从机ACK → 发送数据字节1 → 从机ACK → 发送数据字节2 → 从机ACK → ... → 停止信号（P）2. 读操作流程（从机→主机）
起始信号（S）→ 7位设备地址 + 1（读）→ 从机ACK → 接收数据字节1 → 主机ACK → 接收数据字节2 → 主机ACK → ... → 主机NACK → 停止信号（P）3. 关键注意点：
- 地址切换：同一通信中，主机可先写后读（无需停止信号），只需再次发起始信号+设备地址+读标志；
- 总线仲裁：多主机同时发起通信时，通过SDA电平仲裁（低电平优先），避免冲突。
4.4 面试高频问答
Q：I2C是全双工还是半双工？为什么？
A：半双工！因为SDA是双向数据线，同一时间只能传输一个方向的数据（主→从或从→主），无法同时收发。
Q：I2C的应答信号由谁发送？NACK的常见原因有哪些？
A：应答信号由 "接收方" 发送（主机写时从机发，主机读时主机发）；NACK原因：从机地址不匹配、从机忙、数据传输错误。
4.5 面试简便应答
I2C核心考点总结： ++"2 线（SDA/SCL）、半双工、多主多从；起始（SCL高SDA降）、停止（SCL高SDA 升）；7位地址+读写位，每字节后有ACK，标准速率100kbps。"++
5 SPI vs I2C
SPI 和 I2C 是嵌入式最常用的两种同步协议。
| 对比维度 | SPI | I2C |
| 信号线数量 | 4 根（MOSI/MISO/SCLK/NSS） | 2 根（SDA/SCL） |
| 通信方式 | 全双工 | 半双工 |
| 寻址方式 | NSS 片选（无设备地址） | 7 位 / 10 位设备地址（无需片选） |
| 传输速率 | 高速（最高可达几十 Mbps） | 中速（标准 100kbps，快速 400kbps） |
| 抗干扰性 | 一般（单端信号） | 较强（差分信号思路，SDA/SCL 上拉） |
| 多从机支持 | 支持，但需多根 NSS 线（布线复杂） | 支持，仅需 2 根线（布线简单） |
| 典型应用 | 高速数据传输（Flash、LCD、ADC） | 低速多设备（传感器、EEPROM、RTC） |
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面试选择类问题应答思路： ++"如果需要高速全双工传输（如LCD显示），选SPI；如果设备多、布线受限、速率要求不高（如多个传感器），选I2C；工业远距离选RS485，近距离点对点选 RS232。"++