嵌入式总线协议全解析：IIC、SPI、UART、CAN、JTAG、SDIO、GPIO

在嵌入式系统里，总线的选择往往直接影响通信效率。下面按常见顺序梳理几种总线。

IIC

IIC（Inter-Integrated Circuit）总线是 PHILIPS 公司开发的一种两线式串行总线，用来连接微控制器及其外围设备。I2C 总线通过 SDA 和 SCL 两条线在总线和装置之间传递信息，可在微控制器与外部设备之间进行串行通讯，也可在主设备和从设备之间双向传输数据。I2C 是 OD 输出，大部分 I2C 都是两线制（时钟和数据），通常用来传输控制信号。

IIS

I2S（Inter-IC Sound Bus）是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。I2S 有三个主要信号：1. 串行时钟 SCLK，也叫位时钟，对应数字音频的每一位数据，SCLK 有一个脉冲。2. 帧时钟 LRCK，用于切换左右声道的数据。LRCK 为“1”表示正在传输左声道数据，为“0”则表示传输右声道数据。3. 串行数据 SDATA，即用二进制补码表示的音频数据。有时为了使系统间更好地同步，还需要另外传输一个信号 MCLK，称为主时钟，也叫系统时钟（Sys Clock）。

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是 Motorola 首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。SPI 接口主要应用在 EEPROM、FLASH、实时时钟、AD 转换器，以及数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI 接口以主从方式工作，这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件，其接口包括以下四种信号：（1）MOSI —— 主器件数据输出，从器件数据输入；（2）MISO —— 主器件数据输入，从器件数据输出；（3）SCLK —— 时钟信号，由主器件产生；（4）/SS —— 从器件使能信号，由主器件控制。

UART

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器）将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，并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。它可以处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备），也可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。一些比较高档的 UART 还提供输入输出数据的缓冲区。常用信号包括 TXD、RXD、/RTS、/CTS。

JTAG

JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1 兼容），主要用于芯片内部测试。标准的 JTAG 接口是 4 线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。测试复位信号（TRST，一般低电平有效）通常作为可选的第五个端口信号。一个含有 JTAG Debug 接口模块的 CPU，只要时钟正常，就可以通过 JTAG 接口访问 CPU 的内部寄存器和挂在 CPU总线 上的设备，如 FLASH、RAM，以及内置模块的寄存器，像 UART、Timers、GPIO 等等的寄存器。

CAN

CAN 全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。总结CAN总线技术基础。

最初，CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置 ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 CAN 控制装置。一个由 CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用 Philips P82C250 作为 CAN 收发器时，同一网络中允许挂接 110 个节点。CAN 可提供高达 1Mbit/s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了 CAN 的抗电磁干扰能力。

SDIO

SDIO 是 SD 型的扩展接口，除了可以接 SD 卡外，还可以接支持 SDIO 接口的设备，插口的用途不止是插存储卡。支持 SDIO 接口的 PDA、笔记本电脑等都可以连接 GPS 接收器、Wi-Fi 或蓝牙适配器、调制解调器、局域网适配器、条型码读取器、FM 无线电、电视接收器、射频身份认证读取器，或者数码相机等等采用 SD 标准接口的设备。

GPIO

GPIO（General Purpose Input Output，通用输入/输出）或总线扩展器利用工业标准 I²C、SMBus™ 或 SPI™ 接口简化了 I/O 口的扩展。STM32的GPIO电路原理。

当微控制器或芯片组没有足够的 I/O 端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO 产品能够提供额外的控制和监视功能。每个 GPIO 端口可通过软件分别配置成输入或输出。