嵌入式开发必知：UART、I2C与SPI通信协议差异与应用场景详解

在嵌入式系统和硬件交互中，选择合适的通信协议至关重要。UART、I2C和SPI是最常见的三种串行通信协议，它们在硬件连接、通信方式和应用场景上各有特点。

1. UART (通用异步收发器)

UART是一种非常基础的异步串行通信协议。我们常听到的RS-232、RS-485等标准，其底层核心就是UART协议。它采用最简单的2线制通信，信号线分别为TX（发送）和RX（接收）。

UART 核心特点：

• 异步通信：通信双方无需共享时钟信号，依靠事先约定好的波特率进行数据同步。
• 简单点对点：通常用于两个设备之间的直接通信。
• 低速、硬件简单：速率相对较低，硬件实现复杂度低。
• 应用场景：适用于短距离通信，如设备调试口、简单的传感器数据读取、蓝牙模块与主控的通信等。理解这类基础的计算机架构与通信原理，是深入硬件开发的基石。

2. I2C (内部集成电路)

I2C是一种同步、半双工的串行总线协议。它同样使用2根线进行通信，分别是SCL（串行时钟线）和SDA（串行数据线）。由于依赖时钟信号，它属于同步通信。

I2C 核心特点：

• 同步通信：由主设备提供时钟信号SCL，确保数据传输同步。
• 半双工：数据线SDA在同一时刻只能进行发送或接收。
• 主从架构 & 多设备支持：支持单个主设备控制多个具有唯一地址的从设备，共享同一条总线。
• 应用场景：广泛用于连接多个低速外设，如各种传感器（温湿度、加速度计）、EEPROM存储器、实时时钟（RTC）等。

3. SPI (串行外设接口)

SPI是一种高速、全双工的同步串行通信协议。为了达到更高的速率和灵活性，它通常需要3根或4根线，信号线分别为SCLK（串行时钟）、MOSI（主设备输出从设备输入）、MISO（主设备输入从设备输出）以及CS（片选信号，每个从设备独立一根）。

SPI 核心特点：

• 同步通信 & 全双工：在时钟驱动下，主从设备可以同时发送和接收数据，通信效率高。
• 高速率：常见速率范围在10Mbps到50Mbps甚至更高，远超前两者。
• 硬件相对复杂：需要更多的信号线，尤其是从设备较多时，片选线会占用大量IO口。
• 应用场景：适用于对速度要求高的设备，如闪存芯片、显示屏、音频编解码器以及高速ADC/DAC等。

总结与选择建议

如何选择？

• 追求简单和成本：两个设备间简单通信，选UART。
• 连接多个低速外设：需要节省IO口，设备数量适中，选I2C。
• 要求高速数据传输：对实时性、带宽要求高，如驱动显示或读写大容量存储，选SPI。

在实际的嵌入式项目设计中，根据具体的外设需求、硬件资源（IO数量）和性能要求来权衡选择，是每一位嵌入式工程师的必备技能。