Arduino UNO R3主处理器ATMega328P的串行通信子系统可以用于与计算机、外设或其他微控制器进行通信，它支持3种串行通信方式：通用同步/异步收发器，串行外设接口和两线串行接口。

1. 通用同步/异步收发器

　　在串行通信中，波特率用来衡量传输速率的快慢，同步和异步的对象是波特率的时钟信号；同步通信的设备之间需要一条额外的时钟线，也因此同步方式可以提供更高的波特率；这里将以异步为例。

　　下面的示例可以使通过串口发送给Arduino的数据回显到串口监视器上：

 1 // SerialEcho.ino

 2 char data;

 3 

 4 void setup() {

 5   Serial.begin(9600);

 6 }

 7 

 8 void loop() {

 9   if (Serial.available() > 0) {

10     data = Serial.read();

11     Serial.print(data);

12   }

13 }

 　　与通用同步/异步收发器相关的Arduino库函数有：

　　Serial.begin(speed)：打开串口0并设置它的波特率

　　speed：串口0的波特率

　　Serial.available()：判断串口0的缓冲区内是否有数据

　　函数返回串口0缓冲区内数据的字节数

　　Serial.read()：读取串口0输入数据

　　函数返回串口0输入数据的一个字节

　　Serial.print(val)：向串口0打印数据

　　val：打印的数据

　　Serial.println(val)：向串口0打印数据并换行

　　val：打印的数据

　　ATMega328P的串口0由5个相关寄存器控制，串口0状态和控制寄存器A（UCSR0A）的结构如下图所示：

接收完成标志位RXD和数据寄存器空标志位UDRE分别在完成一帧数据接收和发送缓冲区为空时被置为1，可以通过向它们写1清0。

　　串口状态和控制寄存器B（UCSR0B）的结构如下图所示：

向接收使能位RXNE或发送使能位TXNE写入1可以分别使能串口0的接收或发送功能。

　　串口0控制寄存器C（UCSR0C）的结构如下图所示：

向终止位选择控制位USBS0位写入0，则只有1个停止位，写入1则有2个停止位。数据帧长度控制位UCSZ0[2:0]同时存在UCSR0B寄存器和UCSR0C寄存器中，它和奇偶校验模式控制位UPM0[1:0]位的设置如下表所示：

　　串口0波特率寄存器（UBRR0H和UBRR0L）的计算公式是：

　　Arduino UNO R3开发板使用8位数据帧长度，1个停止位，无奇偶校验，通过直接访问寄存器改写以上程序为：

 1 // SerialEcho_reg.ino

 2 unsigned char USART0_Receive();

 3 void USART0_Transmit(unsigned char val);

 4 

 5 void setup() {

 6   UCSR0A = 0x20;

 7   UCSR0B = 0x18;

 8   UCSR0C = 0x06;

 9 

10   UBRR0H = 0x00;

11   UBRR0L = 0x67;

12 }

13 

14 void loop() {

15   USART0_Transmit(USART0_Receive());

16 }

17 

18 unsigned char USART0_Receive() {

19   while (!(UCSR0A & (1 << RXC0)));

20   return UDR0;

21 }

22 

23 void USART0_Transmit(unsigned char val) {

24   while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0)));

25   UDR0 = val;

26 }

2. 串行外设接口

　　串行外设接口是一种同步的串行通信方式，因此它需要比通用同步/异步收发器多一条时钟线。此外，串行外设接口还引入了主机和从机的概念，通信中使用的时钟信号由主机产生，从机只有在被主机选中时才能与其进行通信；因此，一个串行外设接口设备一般需要连接4条信号线：SPI时钟SCK，主入从出MISO，主出从入MOSI和SPI选中SS。

74HC595是一种8位的存储器，它的结构如下图所示：

当11（SH_CP）引脚有上升沿产生时，14（DS）引脚上的电平信号会被采样，并移入8位移位寄存器中，多余的位将从9（Q7’）引脚移出；当12（ST_CP）引脚上有上升沿产生，并且13（OE）引脚为低电平时，移位寄存器中的内容会被复制到存储寄存器中并输出。

　　74HC595芯片不是标准的串行外设接口设备，但可以使用串行外设接口向它输入数据，如图所示连接电路，Arduino开发板11（PB3/MOSI）引脚连接到74HC595芯片14（DS）引脚，13（PB5/SCK）引脚连接到11（SH_CP）引脚；74HC595芯片12（ST_CP）引脚可以连接到任一Arduino数字引脚，这里是A0（PC0）引脚：

　　下面的示例代码可以使74HC595芯片连接的LED呈现明暗交替的图案：

 1 // ShiftOutLed.ino

 2 const int DS = 11;

 3 const int SH_CP = 13;

 4 const int ST_CP = A0;

 5 

 6 void setup() {

 7   pinMode(DS, OUTPUT);

 8   pinMode(SH_CP, OUTPUT);

 9   pinMode(ST_CP, OUTPUT);

10 

11   digitalWrite(ST_CP, LOW);

12   shiftOut(DS, SH_CP, MSBFIRST, B10101010);

13   digitalWrite(ST_CP, HIGH);

14 }

15 

16 void loop() {

17 }

　　与串行外设接口相关的Arduino库函数有：

　　shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, value)：作为主机移位输出

　　dataPin：指定移位输出的引脚

　　clockPin：指定同步时钟信号的引脚

　　bitOrder：从高位开始发送数据（MSBFIRST）或从低位开始发送数据（LSBFIRST）

　　val：移位输出的数据

　　ATMega328P的串行外设接口由2个相关寄存器控制，SPI控制寄存器SPCR的结构如下图所示：

SPI使能位SPE写入1则启用串行外设接口，写入0则禁用；数据序列位DORD位写入1则从SPI数据寄存器SPDR的高位开始发送，写入0则从低位开始发送；时钟相位位CPHA写入1则数据在上升沿采样，写入0则在下降沿采样。此外，Arduino作为主机，则主/从选择位MSTR需写入1。

　　SPI状态寄存器SPSR的结构如下图所示：

SPI2X位与SPCR寄存器中的SPR[1:0]位共同设定SPI的分频系数，如下表所示：

　　通过直接访问寄存器改写以上程序为：

 1 // ShiftOutLed_reg.ino

 2 void setup() {

 3   DDRB |= (1 << PB3) | (1 << PB5);

 4   DDRC |= (1 << PC0);

 5   

 6   PORTC &= ~(1 << PC0);

 7   SPCR = 0x77;

 8   SPDR = 0xaa;

 9   PORTC |= (1 << PC0);

10 }

11 

12 void loop() {

13 }

3. 两线串行接口

　　两线串行接口同样也是一种同步的串行通信方式，它的读和写时序如下图所示：

　　由于主机先发送从机地址，从机应答后再发送其他数据，因此两线串行接口不需要类似于串行外设接口的选择信号线；又因为采用半双工的通信方式，两线串行接口只需要一条数据线，所以一个两线串行接口设备一般只需要2条信号线，即时钟信号线SCL和数据信号线SDA。

　　两线串行接口可以工作在主机发送模式，主机接收模式，从机发送模式或从机接收模式，Arduino IDE的Wire库提供了这四种模式的示例，我们主要关注主机发送模式和主机接收模式，下面是这两个示例：

 1 // master_writer.ino

 2 #include

 3 

 4 void setup() {

 5   Wire.begin();

 6 }

 7 

 8 byte x = 0;

 9 

10 void loop() {

11   Wire.beginTransmission(8);

12   Wire.write("x is ");

13   Wire.write(x);

14   Wire.endTransmission();

15 

16   x++;

17   delay(500);

18 }

19 

20 // master_reader.ino

21 #include

22 

23 void setup() {

24   Wire.begin();

25   Serial.begin(9600);

26 }

27 

28 void loop() {

29   Wire.requestFrom(8, 6);

30 

31   while (Wire.available()) {

32     char c = Wire.read();

33     Serial.print(c);

34   }

35 

36   delay(500);

37 }

　　与两线串行接口主机相关的Arduino库函数有：

　　Wire.begin()：作为主机打开两线串行接口

　　Wire.beginTransmission(address)：开始向指定地址从机传输数据

　　address：指定从机的地址

　　Wire.write(val)：向从机发送数据

　　val：发送的数据

　　Wire.endTransmission()：结束向从机发送数据

　　Wire.requestFrom(address, quantity)：向指定地址从机请求指定字节数的数据

　　address：指定从机的地址

　　quantity：指定请求的字节数

　　Wire.available()：判断两线串行接口的缓冲区内是否有数据

　　函数返回两线串行接口缓冲区内数据的字节数

　　Wire.read()：读取两线串行接口输入的数据

　　函数返回两线串行接口输入数据的一个字节

　　ATMega328P的两线串行接口的主机模式由3个相关寄存器控制。两线串行接口波特率寄存器TWBR的计算公式是：

其中，TWPS是预分频系数，它由两线串行接口状态寄存器TWSR中的TWPS[1:0]位设置，寄存器的结构如下图所示：

　　两线串行接口控制寄存器TWCR的结构如下图所示：

向TWI使能位TWEN写入1则启用两线串行接口，写入0则禁用；向起始信号使能位TWSTA或停止信号使能位TWSTO写入1，则会产生起始信号或停止信号，停止条件产生后，TWSTO位会自动清零。

　　TWI中断标志位被置1表示产生了相关事件的中断，通过判断TWSR寄存器高5位的值可以判断中断事件，如下表所示：