嵌入式开发必知：IIC、SPI、UART、CAN等8种常见总线协议详解与应用场景

在嵌入式系统和硬件开发中，各类总线协议是连接芯片与外围设备、实现系统通信的基石。不同的总线在速度、复杂度、应用场景上各有侧重。本文将深入解析 IIC、IIS、SPI、UART、JTAG、CAN、SDIO、GPIO 这八种常见总线的工作原理与典型应用，帮助开发者根据项目需求做出合适选择。

IIC (Inter-Integrated Circuit)

IIC总线由PHILIPS公司开发，是一种两线式、半双工的串行通信总线。它仅通过串行数据线（SDA） 和串行时钟线（SCL） 即可实现主设备与多个从设备之间的通信。IIC总线采用开漏（OD）输出，需要外接上拉电阻，其协议包含地址寻址机制，支持多主多从架构。由于其硬件连接简单，常被用于传输速率要求不高的控制信号，例如读取传感器数据、配置外围芯片寄存器等。

IIS (Inter-IC Sound Bus)

IIS总线，又称I2S，是飞利浦公司专为数字音频数据传输制定的标准。它主要包含三根信号线：

• 串行时钟（SCLK/BCLK）：对应音频数据的每一位。
• 帧时钟（LRCK/WS）：用于指示当前传输的是左声道（高电平）还是右声道（低电平）数据。
• 串行数据（SDATA）：承载二进制补码格式的音频数据流。
  为了确保系统间更好地同步，有时还会引入第四根线——主时钟（MCLK），即系统时钟。IIS是连接数字音频处理器（DSP）、编解码器（CODEC）、ADC/DAC等器件的核心总线。

SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI是Motorola公司推出的一种高速、全双工的同步串行总线协议，在Linux系统驱动开发中很常见。它以主从模式工作，通常包含一个主设备和一个或多个从设备。其接口主要包含四根信号线：

• MOSI：主设备数据输出，从设备数据输入。
• MISO：主设备数据输入，从设备数据输出。
• SCLK：时钟信号，由主设备产生。
• SS/CS：从设备片选信号，低电平有效，由主设备控制。

SPI通信速率高，且没有复杂的地址机制，常用于需要高速数据交换的场景，如连接EEPROM、FLASH存储器、ADC模块以及各类传感器。

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

UART是一种通用的异步串行收发协议，是“串口”通信的核心。它不依赖于时钟信号进行同步，而是通过事先约定好的波特率进行数据传输。其主要功能包括：

• 完成并行数据与串行数据之间的转换。
• 添加和检查奇偶校验位，以进行简单的错误校验。
• 在数据流中添加起始位和停止位，实现帧同步。

常见的UART接口信号包括TXD（发送）、RXD（接收）、RTS（请求发送）和CTS（清除发送）。由于其实现简单、可靠性高，UART被广泛应用于微控制器与PC、蓝牙模块、GPS模块等设备之间的通信。

JTAG (Joint Test Action Group)

JTAG是一种国际标准的测试协议（IEEE 1149.1），主要用于芯片的边界扫描测试和在线调试。标准的JTAG接口包含4根核心信号线：

• TMS：测试模式选择。
• TCK：测试时钟。
• TDI：测试数据输入。
• TDO：测试数据输出。
• TRST：测试复位（可选，低有效）。

通过JTAG接口，开发人员可以访问CPU的内部寄存器、以及挂载在总线上的存储器（如FLASH、RAM）和外围模块（如UART、GPIO）的寄存器，是嵌入式系统开发中不可或缺的调试和程序烧录工具。

CAN (Controller Area Network)

CAN总线即控制器局域网，是一种高性能、高可靠性的现场总线标准。它最初被设计用于汽车电子环境，现已广泛应用于工业自动化、医疗设备等领域。CAN总线采用差分信号传输（CAN_H和CAN_L），具有出色的抗电磁干扰能力和强大的错误检测机制。其特点包括：

• 多主结构：网络上任意节点可在总线空闲时发起通信。
• 非破坏性仲裁：基于报文ID优先级解决总线访问冲突。
• 高可靠性：可提供高达1Mbps的数据传输速率，满足实时控制要求。

在复杂的汽车电子控制网络中，发动机控制单元（ECU）、变速箱控制器、车身控制模块等都通过CAN总线交换信息。

SDIO (Secure Digital Input/Output)

SDIO是在SD（安全数字）存储卡接口标准基础上扩展出的输入输出接口。它兼容SD卡的物理形态和电气规范，但功能远不止连接存储卡。支持SDIO接口的主机设备（如智能手机、平板电脑）可以连接多种扩展设备，例如：

• WiFi或蓝牙适配器
• GPS接收器
• 调制解调器
• 条形码扫描器
• 数码相机等

SDIO极大地丰富了便携式设备的扩展能力，使其能够灵活地增加各种功能模块。

GPIO (General Purpose Input/Output)

GPIO即通用输入/输出端口，是微控制器或片上系统（SoC）上最基本的数字接口。每个GPIO引脚都可以通过软件独立配置为输入模式（用于读取开关状态、传感器信号等）或输出模式（用于控制LED、继电器等）。当芯片自带的I/O口数量不足时，还可以通过IIC、SPI等总线连接GPIO扩展芯片来增加控制能力。GPIO是硬件与软件交互最直接的窗口，其灵活性和易用性是嵌入式系统实现各种控制功能的基础。