嵌入式开发中SPI、UART、I2C串行通信协议对比与应用场景解析

电子设备之间的通信如同人类对话，双方需要使用共同的语言。在嵌入式系统和微控制器领域，这些“语言”就是通信协议。本文将深入对比三种最常用的串行通信协议：SPI、UART和I2C，解析它们的工作原理、特点及典型应用场景，帮助开发者在项目中做出合适的选择。

串行通信与并行通信

电子设备通过发送数据位（Bit）来实现信息交换。位是二进制的基本单位，其值只能是0或1。在典型的5V系统中，逻辑“0”通常由0V的短脉冲表示，而逻辑“1”则由5V的短脉冲表示。这些数据位可以通过并行或串行的方式进行传输。

在并行通信中，数据的各个位通过多根导线同时传输。下图展示了字母“C”的ASCII码二进制形式（01000011）的并行传输过程：

而在串行通信中，数据位通过单根导线一位接一位地顺序发送。下图展示了同一数据的串行传输过程：

串行通信虽然速度相对较慢，但其布线简单、成本低廉，成为芯片间和设备间短距离通信的主流方式。SPI、UART和I2C均属于串行通信协议。理解这些通信协议的基础，有助于我们更好地进行网络与系统编程。

SPI通信协议详解

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工的同步通信协议，由摩托罗拉公司开发。其最大特点是允许数据连续传输而无需中断，可以发送或接收任意数量的位，这与以数据包形式传输的I2C和UART不同。

在SPI系统中，设备分为主设备（Master）和从设备（Slave）。主设备（通常是微控制器）控制通信的发起和时钟，而从设备（如传感器、存储芯片）接收指令并响应。

一套完整的SPI通信需要四根信号线：

• MOSI (Master Output Slave Input)：主设备输出，从设备输入的数据线。
• MISO (Master Input Slave Output)：主设备输入，从设备输出的数据线。
• SCLK (Serial Clock)：由主设备产生的时钟信号线。
• SS/CS (Slave Select / Chip Select)：片选信号线，由主设备控制，用于选择特定的从设备。

SPI协议核心特点

1. 同步通信：SPI属于同步协议，通信双方在同一个时钟信号（SCLK）下工作，数据传输速率取决于时钟频率。时钟由主设备产生，因此通信始终由主设备发起。
2. 片选机制：主设备通过将目标从设备的CS线拉至低电平来激活通信。一个主设备可以通过多个CS引脚连接多个从设备。
   
   如果主设备只有一个CS引脚，可以采用菊花链方式连接多个从设备：
   
3. 全双工传输：主设备通过MOSI线发送数据给从机的同时，从机也可以通过MISO线向主机发送数据，实现同时收发。

SPI数据传输步骤

1. 主设备产生时钟信号（SCLK）。
   
2. 主设备拉低目标从设备的SS/CS引脚，选中该从设备。
   
3. 主设备通过MOSI线逐位发送数据给从设备。
   
4. 从设备通过MISO线逐位将响应数据返回给主设备。
   

SPI优缺点总结

• 优点：
  • 传输速率高（通常比I2C快）。
  • 支持全双工连续传输，无数据包开销。
  • 协议简单，硬件实现容易。
• 缺点：
  • 需要4根线，布线占用资源较多。
  • 没有硬件级的应答机制来确认数据是否被成功接收。
  • 不支持多主设备系统。
  • 从设备数量增加会受总线负载电容限制。

UART通信协议详解

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）严格来说不是一种通信协议，而是一种物理电路（常内置于微控制器中）或独立IC。它负责实现异步串行通信，最大的优势是仅需两根线（Tx和Rx）即可完成数据交换。

在UART通信中，两个UART设备直接对等连接。发送方将来自CPU的并行数据转换为串行格式，通过Tx引脚发出；接收方通过Rx引脚接收串行数据，再转换回并行格式交给CPU处理。

UART是异步通信，没有时钟信号。为了协调收发时序，它在数据包中添加了起始位和停止位来界定数据帧，并依赖双方预先约定好的波特率（Baud Rate）（如9600 bps， 115200 bps）来同步采样。

UART数据帧结构
一个完整的UART数据帧包含以下部分：

• 起始位：通信开始时，Tx线从高电平（空闲状态）被拉低一个位时间，标志着数据帧的开始。
• 数据帧：有效载荷，通常是8位数据（一个字节）。
• 奇偶校验位（可选）：用于简单的错误检测，检查数据位中“1”的个数是奇数还是偶数。
• 停止位：通常为1或2个位时间的高电平，标志数据帧结束。

UART数据传输步骤

1. 发送UART从数据总线获取并行数据。
   
2. 发送UART生成并添加起始位、奇偶校验位和停止位，组成完整数据包。
   
3. 数据包从Tx引脚串行发出。接收UART在检测到起始位后，以约定的波特率对Rx线进行采样。
   
4. 接收UART丢弃起始位、校验位和停止位。
   
5. 接收UART将串行数据转换为并行数据，送至接收端数据总线。
   

UART优缺点总结

• 优点：
  • 仅需两根线，硬件连接简单。
  • 无需时钟信号，依靠波特率同步。
  • 数据帧结构可配置（数据位、停止位、校验位），灵活性高。
  • 应用极其广泛，是调试和PC通信的常用接口。
• 缺点：
  • 标准帧大小通常只有8位数据。
  • 不支持多主机或多从机系统，只能点对点。
  • 双方波特率必须严格匹配（误差通常需在10%以内）。

异步通信的时序概念是理解UART和许多其他网络协议的基础。

I2C通信协议详解

I2C（Inter-Integrated Circuit）是由飞利浦公司开发的一种双向、半双工、同步串行总线。它结合了SPI和UART的部分优点：仅使用两根线（SDA-数据线和SCL-时钟线），却能支持多主多从的拓扑结构，非常适合连接多个低速外设。

I2C工作原理
I2C通信以消息（Message）为单位，每个消息包含：

• 起始条件（S）：当SCL为高时，SDA从高到低的跳变。
• 从设备地址帧：7位或10位的唯一地址，用于寻址目标从设备。
• 读/写位：指示主设备是要写入（0）还是读取（1）数据。
• 应答位（ACK/NACK）：接收方在每个地址或数据帧后返回的确认信号（ACK为低电平）。
• 数据帧：8位的数据块。
• 停止条件（P）：当SCL为高时，SDA从低到高的跳变。
  

I2C寻址与传输
I2C没有片选线，而是通过软件寻址。主设备在通信开始时先广播目标从设备的地址。总线上所有从设备都会将接收到的地址与自身地址比较，只有地址匹配的从设备会拉低SDA线（发送ACK）作出响应，继而参与后续通信。

I2C总线拓扑

• 单主多从：这是最常见的模式。总线上需要为SDA和SCL线各接一个上拉电阻（通常为4.7kΩ）。
  
• 多主多从：I2C支持多主机，通过总线仲裁机制防止数据冲突。连接方式类似，同样需要上拉电阻。
  

I2C优缺点总结

• 优点：
  • 仅需两根线（SDA， SCL），节省引脚和布线。
  • 支持多主设备和多从设备系统。
  • 具有硬件应答机制（ACK），通信更可靠。
  • 拥有成熟的规范和广泛的支持。
• 缺点：
  • 通信速率通常低于SPI（标准模式100kbps，快速模式400kbps）。
  • 数据帧固定为8位。
  • 协议比SPI复杂，软件开销稍大。
  • 总线电容会限制挂载设备数量和通信速度。

总结与选型建议

特性	SPI	UART	I2C
通信类型	同步	异步	同步
线数	4根 (SCLK, MOSI, MISO, CS)	2根 (TX, RX)	2根 (SDA, SCL)
最大传输速率	高 (可达数十Mbps)	中等 (通常<1Mbps)	中低 (标准100kbps， 快速400kbps)
拓扑结构	单主多从	点对点	多主多从
寻址方式	硬件片选 (CS)	无 (点对点)	软件地址 (7/10 bit)
全双工	支持	支持 (需两对TX/RX)	半双工
错误检查	无	奇偶校验位 (可选)	应答位 (ACK)

如何选择？

• 选择SPI：当需要高速数据传输（如存储器、高分辨率ADC/DAC、显示屏），且引脚资源充裕、系统结构简单（单主机）时。
• 选择UART：当进行简单、可靠的点对点通信（如微控制器与电脑串口调试、GPS模块通信），或作为设备调试端口时。它也是许多嵌入式开发项目中与上位机通信的首选。
• 选择I2C：当引脚资源紧张，需要连接多个低速外设（如传感器、EEPROM、RTC时钟芯片），且对速率要求不高时。

理解这三种基础通信协议的差异，是进行嵌入式系统设计和外设驱动开发的关键一步。在实际项目中，应根据速度、复杂性、引脚数量和系统架构等因素综合考量，选择最合适的通信方式。