完整的硬件產(chǎn)品是由多種模塊組合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的，微控制器 MCU 充當(dāng)大腦，外圍的存儲(chǔ)單元、顯示單元、發(fā)聲單元、傳感器單元、運(yùn)動(dòng)單元等等是其軀干和四肢，而不同類型的硬件單元需要有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，就離不開相互之間的數(shù)據(jù)通信，電子工業(yè)經(jīng)過(guò)了百余年的發(fā)展，衍生出了繁多的協(xié)議，其中既有行業(yè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也有企業(yè)自研的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，這些協(xié)議通?？梢苑譃椴⑿型ㄐ艆f(xié)議和串行通信協(xié)議。
并行通信，在同一時(shí)刻發(fā)送多位數(shù)據(jù)（可以是多根線）。優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送速度快；缺點(diǎn)是傳輸距離短 資源占用多。
串行通信，用一根線 在不同的時(shí)刻發(fā)送8位數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn) 占用資源少；缺點(diǎn)是發(fā)送速度慢。
通信的方式可以分為：全雙工、半雙工、單工
單工通信 只能接受或者發(fā)送 收音機(jī) 遙控器，一般只有一根線
半雙工通信 在同一時(shí)刻只能發(fā)送或者接收 對(duì)講機(jī)，至少有兩根線
全雙工通信 在同一時(shí)刻 既能接收又能發(fā)送 電話，至少有兩根線
根據(jù)是接收端和發(fā)送端時(shí)鐘頻率的異同又可分為同步通信和異步通信，本章將簡(jiǎn)單介紹主流的一些硬件通信協(xié)議。
協(xié)議概括
SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，如今主流的微控制器都集成有spi接口，如 stm32 家族。
通信原理
SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（單向傳輸時(shí)）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時(shí)鐘）、CS（片選）。
SDI – SerialData In,串行數(shù)據(jù)輸入；
SDO – SerialDataOut,串行數(shù)據(jù)輸出；
SCLK – Serial Clock,時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生；
CS – Chip Select,從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制。
其中，CS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號(hào)，也就是說(shuō)只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（高電位或低電位），主芯片對(duì)此從芯片的操作才有效。這就使在同一條總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。
接下來(lái)就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。通訊是通過(guò)數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCLK時(shí)鐘線存在的原因，由SCLK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過(guò) SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。因此，至少需要8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和下沿為一次），才能完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。
SCLK信號(hào)線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線。同樣，在一個(gè)基于SPI的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CLK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒(méi)有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，主設(shè)備通過(guò)對(duì)SCLK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。
通過(guò)邏輯分析儀采集 spi 總線數(shù)據(jù)，可以看到四個(gè)通道的波形變化，判斷信號(hào)的時(shí)鐘周期、時(shí)鐘相位和極性，并能夠解碼獲取實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令。
SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義，具體請(qǐng)參考相關(guān)器件的文檔。
最后，SPI接口的一個(gè)缺點(diǎn)：沒(méi)有指定的流控制，沒(méi)有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。
協(xié)議概括
I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。
主器件用于啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘以開放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件．在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送方向。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主機(jī)首先尋址從器件，然后主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件．然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機(jī)終止接收過(guò)程。在這種情況下．主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時(shí)時(shí)鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。
通信原理
SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時(shí)鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出．需通過(guò)上拉電阻接電源VCC．當(dāng)總線空閑時(shí)．兩根線都是高電平，連接總線的外同器件都是CMOS器件，輸出級(jí)也是開漏電路．在總線上消耗的電流很小，因此，總線上擴(kuò)展的器件數(shù)量主要由電容負(fù)載來(lái)決定，因?yàn)槊總€(gè)器件的總線接口都有一定的等效電容．而線路中電容會(huì)影響總線傳輸速度．當(dāng)電容過(guò)大時(shí)，有可能造成傳輸錯(cuò)誤．所以，其負(fù)載能力為400pF，因此可以估算出總線允許長(zhǎng)度和所接器件數(shù)量。
主器件用于啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘以開放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件．在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送方向。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主機(jī)首先尋址從器件，然后主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件．然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機(jī)終止接收過(guò)程。在這種情況下．主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時(shí)時(shí)鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。
邏輯分析儀采集 I2C 總線數(shù)據(jù)，可以看到 SDA 和 SCL 的數(shù)據(jù)波形，查看每次的指令和數(shù)據(jù)、地址等。
協(xié)議概括
控制器局域網(wǎng)總線（CAN，Controller Area Network）是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動(dòng)化和工業(yè)應(yīng)用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時(shí)具有11位的尋址以及檢錯(cuò)能力。
通信原理
CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。 CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，無(wú)論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。
協(xié)議概括
通用串行總線（英語(yǔ)：Universal Serial Bus，縮寫：USB）是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，被廣泛地應(yīng)用于個(gè)人電腦和移動(dòng)設(shè)備等信息通訊產(chǎn)品，并擴(kuò)展至攝影器材、數(shù)字電視（機(jī)頂盒）、游戲機(jī)等其它相關(guān)領(lǐng)域。
通信原理
USB總線屬于一種輪詢式總線，主機(jī)控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一總線動(dòng)作最多傳送三個(gè)數(shù)據(jù)包，包括令牌(Token)、數(shù)據(jù)(Data)、聯(lián)絡(luò)(HandShake)。
按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開始時(shí)，主機(jī)送一個(gè)描述傳輸動(dòng)作的種類、方向、USB設(shè)備地址和終端號(hào)的USB數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包通常被稱為令牌包(TokenPacket)。USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當(dāng)位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機(jī)到設(shè)備就是從設(shè)備到主機(jī)。
USB 2.0 接口
USB 3.0 接口
在傳輸開始時(shí)，由標(biāo)志包來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端開始發(fā)送包含信息的數(shù)據(jù)包或表明沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送。接收端也要相應(yīng)發(fā)送一個(gè)握手的數(shù)據(jù)包表明是否傳送成功。發(fā)送端和接收端之間的USB數(shù)據(jù)傳輸，在主機(jī)和設(shè)備的端口之間，可視為一個(gè)通道。USB中有一個(gè)特殊的通道一缺省控制通道，它屬于消息通道，設(shè)備一啟動(dòng)即存在，從而為設(shè)備的設(shè)置、狀態(tài)查詢和輸入控制信息提供一個(gè)入口。
協(xié)議概括
通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸?shù)馁Y料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換。作為把并行輸入信號(hào)轉(zhuǎn)成串行輸出信號(hào)的芯片，UART通常被集成于其他通訊接口的連結(jié)上。
具體實(shí)物表現(xiàn)為獨(dú)立的模塊化芯片，或作為集成于微處理器中的周邊設(shè)備。一般是RS-232C規(guī)格的，與類似Maxim的MAX232之類的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)幅度變換芯片進(jìn)行搭配，作為連接外部設(shè)備的接口。在UART上追加同步方式的序列信號(hào)變換電路的產(chǎn)品，被稱為USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)。
通信原理
計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過(guò)UART整理才能進(jìn)行異步傳輸，其過(guò)程為：CPU先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時(shí)內(nèi)存塊）中，再通過(guò)FIFO（First Input First Output，先入先出隊(duì)列）傳送到串行設(shè)備，若是沒(méi)有FIFO，信息將變得雜亂無(wú)章，不可能傳送到Modem。
UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸。
其中各位的意義如下：
起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”的信號(hào)，表示傳輸字符的開始。
資料位：緊接著起始位之后。資料位的個(gè)數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個(gè)字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時(shí)鐘定位。
奇偶校驗(yàn)位：資料位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來(lái)校驗(yàn)資料傳送的正確性。
停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。 由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。
空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒(méi)有資料傳送。
波特率：是衡量資料傳送速率的指標(biāo)。表示每秒鐘傳送的符號(hào)數(shù)（symbol）。一個(gè)符號(hào)代表的信息量（比特?cái)?shù)）與符號(hào)的階數(shù)有關(guān)。例如資料傳送速率為120字符/秒，傳輸使用256階符號(hào)，每個(gè)符號(hào)代表8bit，則波特率就是120baud，比特率是120*8=960BIT/S。
通過(guò)邏輯分析儀抓取 uart 總線數(shù)據(jù)，可以清楚的看到數(shù)據(jù)幀格式。
1.《物聯(lián)網(wǎng)安全百科》 https://iot-security.wiki
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