单片机——通信_单片机阻塞发送和队列发送的区别

一、通信基础知识

1.时钟信号划分

同步通信：通信双方根据同步信号通信，比如双方有一个共同的时钟信号

发送数据的时候会出现阻塞状态，需要等待数据传输完毕，程序才会执行到下一行

异步通信：通信双方有自己独立的系统时钟，大家约定好通信的速度。异步通信不需要同步信号，但是并不是说通信的过程不同步（UART）

发送数据的时候没有阻塞状态，执行发送数据语句后直接执行下一行语句

波特率（115200 9600 34800）

2、通信方式划分

串行通信：指的是同一时刻只能收或发一个bit位信息。因此只用1根信号线即可。

串行传输：数据一位一位串起来，逐个传输，数据按位顺序传输。

优点：占用引脚资源少

缺点：速度相对较慢

并行通信：指的是同一时刻可以收或发多个bit位的信息，因此需要多根信号线才行

并行传输：使用多根线同时传输一个字的多个位，如 8 根线一次传输 8 个位。

优点：速度快

缺点：占用引脚资源多

3、通信方向划分

单工：要么收，要么发，只能做接收设备或者发送设备。比如收音机

一根信号线只能单向发送或单向接收

半双工：可以收，可以发，但是不能同时收发， 比如对讲机

一根信号线可以接收数据也可以发送数据，但是两者不能同时进行

全双工：可以在同一时刻既接收，又发送。 手机

两根信号线，一根发送数据，另一根接收数据，真正实现同时收发数据，速度快

二、串口通信

一、UART（通用异步收发器）、USART（通用同步/异步收发器）

1）协议特点：

①异步、全双工、串行通信。异步：没有时钟线；全双工且串行：有两条数据线！

②串口通信是低位先行！

2）串口通信协议：

①停止位为1.5位：‌‌是时间概念，停止位的“位”指‌时间单位‌而非物理位数。例如波特率为9600bps时，1位时间≈104μs，此时1.5停止位对应约156μs的高电平信号‌。

3）实际串口通信协议：

①在串口通信协议中，‌空闲状态的电平必须为高电平‌（逻辑1）；

②接收双方必须配置相同的波特率（异步通信）；

③不使用奇偶校验的原因：串口通信使用在较近的情况下，一般不会出错！

4）USART的结构框图

● 发送流程：

○ CPU 将数据写入 TDR。（软件）

○ 硬件自动将 TDR 数据复制到移位寄存器。（硬件）

○ 移位寄存器逐位将数据发送到 TX 引脚---引脚的复用功能（输出）。

接收流程：

○ 数据到达 RX 引脚

○ 移位寄存器逐位收集数据。

○ 数据完整后硬件自动转移至 RDR

二、实现（串口发送和接收）

1.函数重定向：将原本输入到stdin/stdout的输出到TDR/RDR

①printf()

②scanf()：发送时需要\\n来刷新行缓存

2.HAL库函数

HAL_StatusTypeDef

HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart,constuint8_t*pData,uint16_t Size,uint32_t Timeout)

功能：以阻塞模式通过串口发送数据

参数：UART_HandleTypeDef * huart 设备的句柄（用的是哪个串口）

uint8_t* pData 要输出的缓存区首地址 要发送的内容的地址）

uint16_t Size 发送的数据量 （发送多少个字节的数据）

uint32_t Timeout 超时时间（在一段时间内如果没有发送，就超时不会再发送）

返回值：成功1，失败0

一个中文占两个字符

HAL_StatusTypeDef

HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart,uint8_t*pData,uint16_t Size,uint32_t Timeout)

功能：以阻塞模式通过串口接收数据

参数：UART_HandleTypeDef * huart 设备的句柄

uint8_t* pData 输入缓存区首地址

uint16_t Size 接收的数据量

uint32_t Timeout 超时时间（会等待这些时间来接收数据）

返回值：接收状态

三、SPI通信

一、SPI通信

SPI是一种同步串行通信协议，以其全双工、高速率和简单硬件结构优于UART。它包括MISO、MOSI、SCLK和SS四条线，通过时钟极性和相位配置实现不同模式的通讯。SPI支持多从机模式，如多NSS或菊花链连接，但缺乏硬件级别的错误检查协议，并且通常仅支持一个主设备。在STM32等微控制器中，通过HAL库可以方便地实现SPI编程。

二、SPI通信的特点：

1. 一主多从

2. 每一个从设备都有一个独立控制的片选线

3. 主设备可以发送数据到从设备，从设备也可以发送数据到主设备。可以全双工通信。

4. 只有主机才能发送时钟信号

三、SPI的总线协议：

起始信号: NSS信号线由高变低 (NSS是片选信号，使能信号)

结束信号：NSS信号由低变高，是SPI通讯的停止信号

数据传输：SPI通信以字节为单位进行数据传输，每个字节的最高有效位（MSB）先传输，然后是次高有效位，依此类推，直到最低有效位（LSB）传输完毕（高位传输）。在数据传输过程中，每次接收到的数据必须在下次数据传输前被采样，否则可能会导致数据丢失或SPI模块失效。

触发：是主机把信号发送到MOSI的信号线上，

采样：是从机从MOSI的信号线上去获取数据。

四、SPI的四种工作模式：

由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，因此通常主机要按照从机支持的模式去设置

• 时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）

时钟极性CPOL : 设置时钟空闲时的电平

当CPOL = 0 ，SCK引脚在空闲状态保持低电平；

当CPOL = 1 ，SCK引脚在空闲状态保持高电平。

时钟相位CPHA ：设置数据采样时的时钟沿

当 CPHA=0 时，MOSI或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK时钟线的奇数边沿被采样

当 CPHA=1时， MOSI或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK时钟线的偶数边沿被采样

SPI中时钟的极性和相位的作用是什么？

1）SPI的时钟极性用来表示时钟信号在空闲时是高电平还是低电平。

2）SPI的相位决定何时进行信号采样，在第一个跳变沿还是第二个跳变沿。

• 主机跟随从机设置始终极性和时钟相位

采样时时钟线边沿：当数据线稳定时用于采样，看时钟线的边沿是奇数边沿还是偶数边沿！

五、实现控制数码管的小实验

• 14脚：DS（SER），串行数据输入引脚
• 13脚：OE，输出使能控制脚，它是低电才使能输出，所以接GND
• 12引脚：存储寄存器时钟输入引脚，上升沿的将移位寄存器的数据转移到存储寄存器中；

• 11引脚：移位寄存器时钟引脚，上升沿时，移位寄存器中的bit 数据整体后移，并接受新的bit（从SER输入）；移走的是最早输入的高位
• 9引脚：串行数据出口引脚。当移位寄存器中的数据多于8bit时，会把已有的bit“挤出去”，就是从这里出去的。用于595的级联
• 将高位的挤走并进入U6的14引脚，来控制选哪个数码管！！

选哪个数码管：QA置1选择第一位数码管；QB置1选择第二位数码管；QC置1选择第三位数码管；QD置1选择第四位数码管；

四、I2C通信

一、I2C通信协议：

IIC（Inter-Integrated Circuit）是一个多主从的串行总线，又叫I2C，是由飞利浦公司发明的通讯总线，属于半双工同步传输类型总线。IIC总线是非常常见的数据总线，仅仅使用两条线就能完成多机通讯，一条SCL时钟线，另外一条双向数据线SDA。不同的器件，都是并联接在这两条线上，I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。

多主从的同步串行半双工

1、 当主机没有选择任何从机时，每个从机的SDA口都是输入模式

2、 当主机选择完从机，即发送完了地址和操作位时，此时所有未被选中的从机的SDA口配置为高阻态，被选择的从机在读取数据时为输入模式，在发送确认位或者数据时SDA口为输出模式。

3、 当主机结束通信，所有的从机的SDA口配置为输入模式。

I2C的特点：

通常我们为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。

● IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号

● IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测

● IIC的一个优点是它支持多主控(multimastering)，其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

● 支持不同速率的通讯速度，标准速度(最高速度100kHZ), 快速（最高400kHZ）,比uart高，比spi低

● SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰。

● IIC是半双工，而不是全双工 ，同一时间只可以单向通信，IIC协议首先是发送从机硬件地址，然后发送命令，再发送数据/寄存器编号或者读取数据。IIC协议可以多字节连续读写数据。

● 各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。

iic的发送长度不可以变化，规定好了！8+1（主设备发送八位，从设备发送一位应答位）

为什么使用上拉电阻？

答：总线空闲的时候，SDA和SCL都是高电平。当其中一个设备拉低总线，整条线就全是低电平，器件与器件之间变为\"与\"关系。

为了避免总线信号收到从设备的干扰，各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出，即高阻态，无法主动输出高电平，需要外部上拉电阻才可以获得高电平。

二、时序图

（一）基本概念：

当SCL时钟线为高电平时：SDA由高电平变成低电平（起始）

当SCL时钟线为高电平时：SDA由低电平变成高电平（结束）

发送数据时：

当SCL时钟线为高电平时：SDA的电平应该保持不变，这样也就是发送的0/1

当SCL时钟线为低电平时：SDA可以改变成发送数据。

（二）四种模式

1.从机寻址：

①主机从从机中一个字节的数据

②主机从从机中读取多个字节的数据

③主机从从机中读取一个字节的数据

④主机从从机中读取多个字节的数据

五、总结

串口通讯：

点对点通讯，异步，全双工，串行，传送数据低位先行，传输速度在112kb左右

SPI通讯：

一对多，同步，串行，全双工，传输数据高位先行，传输速度在几M到几十M之间，占用引脚多，每增加一个从机都增加一个片选线。

IIC通讯：

多主从，同步，串行，半双工，传输数据高位先行，传输速度一个是100kb，最快400kb