在嵌入式系统中，数据的传输是至关重要的。不同类型的设备和模块需要通过不同的通信协议来实现数据交换。这些通信协议通常可以分为两大类：同步和异步。同步通信协议要求发送方和接收方都必须保持同样的时钟频率，而异步通信不受此限制。本文将详细介绍四种常见的嵌入式系统中使用的通信协议：串行端口（UART）、面向通讯控制器（I2C）、串行外围接口（SPI）以及微控制器总线标准（USART）。

UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) - 通用异步收发器

什么是UART？

UART全称为“通用异步收发器”，它是一种用于点对点或多个设备之间进行无方向数据传输的一种方式。在嵌入式系统中，UART非常普遍，因为它相对简单且易于理解。

UART工作原理

在一个典型的情况下，一个微控制器上的一个引脚作为TX输出信号，将信息发送到另一个微控制器上另一引脚作为RX输入信号。在这两个设备之间还需要地连接，即GND，这样才能形成正确的地电平。

UART特性

半双工：UART同时只能由一方发送或者接收。

无握手：没有专门的手势来确保对方准备好接受或发送信息。

单路：只有一个数据线，可以支持多个设备，但每个设备只能有其自己的时间片段。

I2C (Inter-Integrated Circuit) - 面向通讯控制器

什么是I2C？

I2C是一个具有低功耗、高可靠性的短距离数字扩展总线，它允许几个外围组件与主处理单元进行交流。这使得设计复杂系统变得更加容易，因为它提供了一种简化连接许多组件到主板上的方法。

I2C工作原理

I2C是一条双向链路，以7位地址加1位校验位识别各个节点。一旦节点被选择，它就能够从主机读取或写入数据。所有交易都以起始条件开始，然后可能包括读操作或者写操作，并以停止条件结束。

I2C特性：

两根线：只需两根线即可完成所有功能。

SCL (Serial Clock Line): 时钟信号

SDA (Serial Data Line): 数据信号

这使得布局更为紧凑，也减少了成本和功耗需求。

SPI (Serial Peripheral Interface Bus) - 串行外围接口总线

SPI是什么？

SPI是一种高速并且灵活的数字序列接口，是一种半双工全双工模式下工作的一种高速互联技术。它广泛应用于各种电子产品，如手机、电脑硬盘等，它也被用于各种嵌入式应用中，如智能家居自动化项目等。

SPI工作原理：

SPI是一个master-slave结构，其中master生成时钟脉冲并管理所有传输过程，而slave则响应master命令。当master发出开始码后，slave会根据该命令返回所请求的数据。如果需要更多信息，可以继续提出请求直至得到所需数量的事务完成后再发出停止码以终止事务流程。

USART( Universal Synchronous/Asynchronous Receiver-Transmitter)

USART在很多情况下与UART很像，但是它们有着关键区别。当你想要拥有高带宽而不牺牲兼容性时，你应该选择USART而不是简单地使用UART。你可以配置USART以便同步或非同步运行，使其适应你的具体需求，无论是在高速环境还是低速环境均可适用。

结论：

随着技术不断进步，我们对于嵌入式基本知识必备越来越重视。了解这些基础知识对于开发者来说至关重要，不仅能帮助他们更好地理解现有的代码，还能激励他们去探索新的可能性。此外，这些知识也能够帮助工程师解决实际问题，比如如何提高效率，如何降低成本，以及如何创造出既高效又经济实惠的解决方案。这就是为什么学习这些基础知识如此重要，而且这种学习永远不会过时。在未来，当新技术出现的时候，这些核心概念将仍然是我们依赖于它们构建世界的大键石之一。