树莓派 SPI，I2C，UART串行总线介绍

很多人对总线，串行等概念不熟悉特别是SPI，I2C，UART，GPIO等概念。

因此我收集了一些资料，用于总结。希望对大家有所帮助。

首先看一下树莓派上的接口：

GPIO引脚 x 26

UART总线 x 1

SPI总线 x 1

I2C总线 x 1

5V x 2

3.3V x 2

GND x 8

那么什么是GPIO？  

    首先应该理解什么是GPIO。GPIO，英文全称为General-Purpose IO ports，也就是通用IO口。在嵌入式系统中经常有数量众多，可是结构却比較简单的外部设备/电路，对这些设备/电路有的须要CPU为之提供控制手段，有的则须要被CPU用作输入信号。并且，很多这种设备/电路仅仅要求一位，即仅仅要有开/关两种状态就够了，比方灯亮与灭。对这些设备/电路的控制，使用传统的串行口或并行口都不合适。所以在微控制器芯片上一般都会提供一个“通用可编程IO接口”，即GPIO。接口至少有两个寄存器，即“通用IO控制寄存器”与“通用IO数据寄存器”。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部，而对数据寄存器中每一位的作用，即每一位的信号流通方向时输入还是输出，则能够通过控制寄存器中相应位独立的加以设置。这样，有无GPIO接口也就成为微控制器差别于微处理器的一个特征。

    在实际的MCU中，GPIO是有多种形式的。比方，有的数据寄存器能够依照位寻址，有些却不能依照位寻址，这在编程时就要区分了。比方传统的8051系列，就区分成可位寻址和不可位寻址两种寄存器。另外，为了使用的方便，非常多mcu把glue logic等集成到芯片内部，增强了系统的稳定性能，比方GPIO接口除去两个标准寄存器必须具备外，还提供上拉寄存器，能够设置IO的输出模式是高阻，还是带上拉的电平输出，或者不带上拉的电平输出。这在电路设计中，外围电路就能够简化不少。

    明确了这个道理，不同的MCU，提供的GPIO口的数目不同，可选择的glue logic也不同。所以，在了解共性的基础上去了解个性。

    另外须要注意的是，对于不同的计算机体系结构，设备可能是port映射，也可能是内存映射的。假设系统结构支持独立的IO地址空间，而且是port映射，就必须使用汇编语言完毕实际对设备的控制，由于C语言并没有提供真正的“port”的概念。假设是内存映射，那就方便的多了。举个样例，比方像寄存器A（地址假定为0x48000000）写入数据0x01，那么就能够这样设置了。

通俗一点来说：GPIO（GeneralPurposeI/OPorts）意思为通用输入/输出端口，通俗地说，就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平或者通过它们读入引脚的状态-是高电平或是低电平。GPIO是个比较重要的概念，用户可以通过GPIO口和硬件进行数据交互（如UART），控制硬件工作（如LED、蜂鸣器等），读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。GPIO口的使用非常广泛。掌握了GPIO，差不多相当于掌握了操作硬件的能力。

当定义为模块管脚时，PIN起模块中定义的功能。比如定义成SPI模块的管脚，那就按照具体芯片的规定，或者定义成MOSI，或者定义成MISO，或者定义成SCLK，这些不是任意的。SPI是模块，MISO等是功能管脚。

当定义成GPIO时，可以定义成高阻，输入，或者输出。这时候，就可以用作操作控制位，点LED灯等功能了。

总线：

单片机总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接。

总线就是一个公共的计算机的连接线 所有外围设备 都可以通过它与计算机相连接 是信息传递的通道 在它上面可以挂很多个外设元件。

单片机的总线是和微机原理的总线一样的。平时我们直接用它的4个口，但是如果设备数目比较多，尤其是连接外部ram和rom时候，就需要做译码电路。

这时候，你就需要数据总线，地址总线，控制总线。

一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系。各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了。

如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来。

但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。

器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。

总线的种类很多：

如芯片级的总线 如 SPI，I2C，单总线 近距离进行CPU与其它外围芯片的连接,他们多是采用串行方式传送 数据的 即一位一位传送数据 可以节省传送线的条数

SPI 需要3条线： 一条时钟线 一条数据接收线 一条数据发送线

I2C 需要2跳线 一条时钟线 一条 数据线

单总线 即是用一条数据线来通讯 如DS18B20数字温度传感器

还有RS-232 用于计算机和计算机或单片机进行数据通讯的

还有RS-485 、CAN等工业现场总线 用于远距离通讯 距离可达1000米。

SPI

　　SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。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，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200. SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线SS(有的 SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。

I2C (Inter－Integrated Circuit)：由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

I2C总线用两条线(SDA和SCL)在总线和装置之间传递信息，在微控制器和外部设备之间进行串行通讯或在主设备和从设备之间的双向数据传送。I2C是OD输出的，大部分I2C都是2线的（时钟和数据），一般用来传输控制信号。

I2C是多主控总线，所以任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线。总线上每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备它们自己的能力，它们可以作为发射器或接收器工作。多路微控制器能在同一个I2C总线上共存。

SPI、I2C和UART做个比较

    SPI 和I2C这两种通信方式都是短距离的，芯片和芯片之间或者其他元器件如传感器和芯片之间的通信。SPI和IIC是板上通信,IIC有时也会做板间通信,不过距离甚短,不过超过一米,例如一些触摸屏,手机液晶屏那些薄膜排线很多用IIC,I2C能用于替代标准的并行总线，能连接的各种集成电路和功能模块。I2C是多主控总线，所以任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线。总线上每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备它们自己的能力，它们可以作为发射器或接收器工作。多路微控制器能在同一个I2C总线上共存这两种线属于低速传输。

UART是应用于两个设备之间的通信，如用单片机做好的设备和计算机的通信。这样的通信可以做长距离的。UART速度比上面两者者快,最高达100K左右,用与计算机与设备或者计算机和计算之间通信,但有效范围不会很长,约10米左右,UART优点是支持面广,程序设计结构很简单,随着USB的发展,UART也逐渐走向下坡。

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。

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。Maxim的GPIO产品线包括8端口至28端口的GPIO，提供推挽式输出或漏极开路输出。提供微型3mm x 3mm QFN封装。

GPIO的优点(端口扩展器)：

低功耗：GPIO具有更低的功率损耗(大约1μA，μC的工作电流则为100μA)。

集成IIC从机接口：GPIO内置IIC从机接口，即使在待机模式下也能够全速工作。

小封装：GPIO器件提供最小的封装尺寸 ― 3mm x 3mm QFN!

低成本：您不用为没有使用的功能买单！

快速上市：不需要编写额外的代码、文档，不需要任何维护工作！

灵活的灯光控制：内置多路高分辨率的PWM输出。

可预先确定响应时间：缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间。

更好的灯光效果：匹配的电流输出确保均匀的显示亮度。

布线简单：仅需使用2条IIC总线或3条SPI总线

IO端口和IO内存的区别及分别使用的函数接口 

         每个外设都是通过读写其寄存器来控制的。外设寄存器也称为I/O端口，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类。根据访问外设寄存器的不同方式，可以把CPU分成两大类。一类CPU（如M68K，Power PC等）把这些寄存器看作内存的一部分，寄存器参与内存统一编址，访问寄存器就通过访问一般的内存指令进行，所以，这种CPU没有专门用于设备I/O的指令。这就是所谓的“I/O内存”方式。另一类CPU（典型的如X86），将外设的寄存器看成一个独立的地址空间，所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存器，而要为对外设寄存器的读／写设置专用指令，如IN和OUT指令。这就是所谓的“ I/O端口”方式。但是，用于I/O指令的“地址空间”相对来说是很小的，如x86 CPU的I/O空间就只有64KB（0－0xffff)。

        结合下图，我们彻底讲述IO端口和IO内存以及内存之间的关系。主存16M字节的SDRAM，外设是个视频采集卡，上面有16M字节的SDRAM作为缓冲区。