SPI、UART、IIC（I²C） 通信协议的详细介绍及对比分析

一、SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）

1. 基本特性

• 开发背景：由摩托罗拉（Motorola）于1980年代推出，用于短距离、高速率的设备间通信。
• 物理层：
  • 4根信号线：
    • SCK（Serial Clock）：时钟线（主机提供）；
    • MOSI（Master Out Slave In）：主机输出、从机输入；
    • MISO（Master In Slave Out）：主机输入、从机输出；
    • CS（Chip Select）：片选线（低电平有效，主机控制，每个从设备需独立CS）。
  • 全双工（Full-Duplex）、同步（Synchronous） 通信，主机主导时钟和数据方向。

2. 通信机制

• 主从架构：1个主机（如MCU）可连接多个从设备，通过CS线独立选中从设备。
• 数据传输：
  • 主机通过SCK提供时钟，每个时钟周期传输1位数据，高位优先（MSB）。
  • 主机和从设备同时发送/接收数据（全双工），但从设备需在CS有效时才响应。
• 无应答机制：主机不确认从设备是否收到数据，可靠性依赖硬件设计。

3. 优点

• 高速率：可达数十Mbps（如32MHz），适合高速数据传输（如传感器、Flash存储）。
• 简单灵活：无需复杂协议，硬件实现成本低，适合点对点或一主多从场景。
• 全双工：支持同时收发数据，效率高。

4. 缺点

• 多从设备支持差：每个从设备需独立CS线，引脚占用多，不适合大量设备组网。
• 无寻址功能：依赖硬件CS选择从设备，扩展性有限。
• 无错误校验：仅靠硬件时序保证，缺乏数据纠错机制。

5. 典型应用

• 外设通信：EEPROM、ADC、DAC、显示驱动（如OLED）、传感器（如陀螺仪）。
• 短距离高速场景：存储芯片（如QSPI Flash）、高速传感器数据采集。

二、UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，通用异步收发器）

1. 基本特性

• 开发背景：最古老的串行通信协议之一，用于点对点异步通信。
• 物理层：
  • 2根信号线：
    • TX（Transmit）：发送线（主机→从机）；
    • RX（Receive）：接收线（从机→主机）。
  • 异步（Asynchronous）：无时钟线，依赖波特率（Baud Rate）同步，支持全双工。

2. 通信机制

• 数据格式：
  • 以“帧”为单位传输，每帧包含：起始位（1位低电平）、数据位（5-8位，低位优先）、校验位（可选，奇偶校验）、停止位（1/1.5/2位高电平）。
• 波特率：需双方预先约定（如9600、115200），误差需控制在一定范围内（通常≤5%）。
• 流控制（可选）：通过RTS/CTS线实现硬件流控制，或通过XON/XOFF字符实现软件流控制。

3. 优点

• 引脚简单：仅需TX/RX，适合低成本、点对点通信（如MCU与PC）。
• 长距离支持：配合RS-232/RS-485等电平转换，可传输数十米至千米。
• 灵活性高：数据位、校验位、停止位可配置，适应不同设备需求。

4. 缺点

• 异步同步依赖波特率：若双方波特率不一致，易导致数据错位。
• 无硬件寻址：仅支持点对点，无法直接实现多设备组网。
• 速率受限：通常低于1Mbps（RS-232），高速场景需更复杂的电平转换（如RS-422）。
• 无应答机制：需上层协议（如Modbus）实现可靠性保证。

5. 典型应用

• 设备调试：MCU通过UART连接PC串口（如USB转TTL），输出日志。
• 工业控制：配合RS-485实现多设备总线（需地址协议，如Modbus RTU）。
• 低速外设：GPS模块、蓝牙模块（AT指令通信）。

三、IIC（I²C，Inter-Integrated Circuit，集成电路间通信）

1. 基本特性

• 开发背景：由飞利浦（Philips）于1982年推出，用于近距离、多设备低速通信。
• 物理层：
  • 2根信号线：
    • SDA（Serial Data）：数据线（双向，开漏输出，需外接上拉电阻）；
    • SCL（Serial Clock）：时钟线（主机提供，开漏输出，需外接上拉电阻）。
  • 半双工（Half-Duplex）、同步（Synchronous），支持多主多从（需总线仲裁）。

2. 通信机制

• 寻址方式：
  • 每个设备有唯一7位或10位地址（由硬件或软件配置），主机通过发送地址帧选中从设备。
• 数据传输：
  • 起始信号（SCL高电平时SDA下降沿）→ 发送从设备地址（7位）+ 读写位（1位）→ 应答位（ACK，从设备拉低SDA）→ 数据帧（8位）→ 停止信号（SCL高电平时SDA上升沿）。
• 总线仲裁：多主机同时发送时，通过SDA电平竞争决定主导权，避免冲突。

3. 优点

• 引脚极少：仅2根线，支持挂载多个设备（理论上127个，受上拉电阻和总线电容限制）。
• 多设备支持：通过地址寻址，无需独立片选线，适合组建简单设备网络。
• 可靠的应答机制：从设备通过ACK确认接收，保证数据可靠性。

4. 缺点

• 速率限制：
  • 标准模式100kbps，快速模式400kbps，高速模式3.4Mbps，低于SPI。
• 总线时序复杂：严格的起始/停止信号、应答机制，硬件实现需注意上拉电阻和总线电容匹配。
• 半双工：同一时刻只能单向传输，效率低于SPI。
• 主从限制：多主模式需仲裁，增加软件复杂度。

5. 典型应用

• 低速传感器：温度传感器（如DS18B20）、湿度传感器（如SHT30）、加速度计（如MPU6050）。
• 外设控制：EEPROM（如24C02）、实时时钟（RTC）、LED驱动芯片。
• 多设备组网：主板上的外设（如声卡、传感器模块）。

四、三协议对比表格

特性	SPI	UART	IIC
通信方式	同步、全双工	异步、全双工	同步、半双工
信号线数量	4根（SCK、MOSI、MISO、CS）	2根（TX、RX，可选RTS/CTS）	2根（SDA、SCL，需上拉电阻）
寻址方式	硬件片选（CS）	无（点对点），依赖上层协议	7/10位地址（软件寻址）
多设备支持	一主多从（需独立CS）	点对点（需总线协议如RS-485扩展）	多主多从（总线仲裁）
速率	高（数十Mbps）	低（通常＜1Mbps，RS-485可更高）	中（标准模式100kbps，高速3.4Mbps）
应答机制	无	无（需上层协议）	有（ACK/NACK）
硬件复杂度	中等（多CS引脚）	低（简单引脚）	中等（需上拉电阻、严格时序）
典型应用	高速外设（Flash、传感器）	点对点通信（串口、Modbus RTU）	低速多设备（传感器、EEPROM）
优点	高速、简单、全双工	引脚少、长距离、灵活	引脚极少、多设备寻址、可靠应答
缺点	多从设备引脚多、无寻址	异步依赖波特率、无硬件寻址	半双工、时序严格、速率受限

五、选择建议

• 高速点对点：选 SPI（如传感器实时数据传输）。
• 简单点对点/长距离：选 UART（如设备调试、工业总线）。
• 多设备低速组网：选 IIC（如主板内多个传感器通信）。

根据具体场景的 引脚数量、速率需求、设备规模、可靠性要求 综合选择，必要时可结合上层协议（如UART+Modbus、IIC+扩展地址）优化功能。