UART、SPI、I2C协议异同点——工程师原创应用笔记

I2C、SPI、UART都是常见的低速板级通信协议，目前主流的SoC都内置了这些通讯协议的控制器，同样，各种传感器、Touch控制器、指纹模块、蓝牙模块、WIFI模块也都兼容这三种通信方式的一种或几种。对于这三种通信协议的差别，可以区分到非常细，包括信号的单位、传输协议中的封包格式等。

UART一般由TXD、RXD、GND三根线组成，是一种异步传输协议。无论是主机还是从机，均可以自由发送数据，但是由于UART总线并没有时钟线，所以需要提前约定对应的波特率，这是一种很简单的传输协议，以此基础再搭电路可以实现RS-232、RS-242、RS-485等通信协议。过去老式电脑是具备RS-232接口的，但近10年的电脑都只具备USB，因此通常需要透过一个UART转USB的转接电路才能互相连接。UART比较简单，所以CPU输出log一般都是通过一个UART口来输出，是目前最常用的调试接口，其传输速度比较慢，传统的传输速度在115200bps或以下，不过现在大部分UART控制器也能支持到4Mbps或者8Mbps了。

I2C是两根线，SDA（数据）和SCL（时钟），是一种半双工同步传输协议。主机在发送开始信号之后，先发送7个比特的地址位和1个比特的读写位，每个从机有自己的I2C地址，当发现该条指令是发给自己的时候，拉低SDA线（即回复ACK信号），然后主机发送或接收数据，完成传输。传输完成之后，主机发送停止位，完成该次传输。I2C最早是由PHILIPS提出来的，用于晶片间的传输，理论上可以连接128个从机（一般最多只接10个）,原则上只能以PCB板上的铜箔线路来走，然而目前许多应用却是把I2C缆线化。另外，I2C总线的管脚都是开漏输出，必须外接上拉电阻，阻值可以根据总线速度来推算，一般我们常用400kbps传输速率(标准模式：100kbps，快速模式：400kbps，高速模式：3.4Mbps)，上拉电阻选用2.2K。

SPI是四根线，分别是CS（片选）、MOSI（主发从收）、MISO（从发主收）、CLK（时钟），是一种全双工同步传输协议。主机送出CLK信号，主机到从机的数据在MOSI线上传输，从机到主机的数据在MISO线上传输。在启动传输之前，需要先拉低（一般是这样，也有各别芯片是CS高有效）对应从机的CS管脚，在传输完成之后，再拉高CS管脚，从机的SPI Slave模块进入休眠。SPI由Motorola发明，与I2C相同可以接多个从机，只是每增加一个从机，线路至少要增加一条，其发送与接收可以同时进行，传输速度可达到几Mbps水平，比I2C快。

UART和后面两者最大的区别在于后面两者是同步的，要有统一的时钟线，而UART不需要，接线方便，但收发双方都需要配置相同的波特率，即设备要有自己的时钟源；I2C协议中是有地址规则的，因此在一对多通信的时候更有优势。常用来连接传感器；SPI编程简单，在设备不多，端口充足，对通信速度要求不高的场合可以应用，较常用来连接EEPROM、FLASH或液晶显示器。

参考来源：

https://makerpro.cc/2016/07/learning-interfaces-about-uart-i2c-spi/

https://www.zhihu.com/question/22079830