目录

一、三种协议的对比

二、三种协议通信过程简述

串口通信实现方式（低位先行的数据传输）

SPI通信实现方式（常使用高位先行的数据交换）

I²C通信实现方式（高位先行的数据传输）

三、如何根据需求选择使用的通信协议

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一、三种协议的对比

特性维度	UART (串口)	SPI	I²C
全称	Universal Asynchronous Receiver/Transmitter	Serial Peripheral Interface	Inter-Integrated Circuit
通信类型	异步	同步	同步
信号线	TX, RX, GND (最少3线)	SCLK, MOSI, MISO, SS (每从机需1条SS线，4+N线)	SDA, SCL (2线)
拓扑结构	点对点	一主多从 (星型)	多主多从 (总线型)
通信方式	全双工	全双工	半双工
数据寻址	无 (靠物理连接)	硬件片选 (SS线)	软件地址 (7位/10位)
最高速度	约 115.2 kbps (常见)，可达数Mbps	> 100 Mbps (非常快)	标准模式 100 kbps，快速模式 400 kbps，高速模式 3.4 Mbps
数据顺序	低位先行	高位先行 (通常，可配置)	高位先行
应答机制	无 (靠软件校验)	无 (靠软件校验)	有 (硬件应答位)
硬件复杂度	低 (MCU基本集成)	中等 (连线多，尤其从机多时)	低 (连线极少)
软件复杂度	低 (配置波特率即可)	低 (逻辑简单)	中等 (需遵循状态机)
优势	实现简单，全双工，历史悠久，成本低	速度极快，全双工，协议灵活简单	引脚最省，硬件地址，多主控，标准成熟
劣势	速度较慢，无时钟同步，点对点	引脚占用多(随从设备增加而增加)，无硬件应答，无寻址	速度相对慢，半双工，协议复杂，有上拉电阻功耗

二、三种协议通信过程简述

串口通信实现方式（低位先行的数据传输）

串口通信是异步的，不需要时钟线，依赖双方预先约定好的参数进行通信。

核心步骤：

1. 参数配置：通信双方必须事先配置完全相同的参数：

   • 波特率：数据传输的速度（如9600, 115200）。

   • 数据位：每个字节的数据长度（通常为8位）。

   • 停止位：表示一个数据包结束的信号（通常为1位）。

   • 校验位：用于简单的错误检测（奇校验、偶校验或无）。

2. 通信过程：

   • 空闲状态：线路保持在高电平。

   • 起始位：发送方先将线路拉低一个时钟周期，作为一个字节传输开始的信号，同步接收方。

   • 数据位：紧接着起始位，发送5-8个数据位（从最低位开始发送）。

   • 校验位：（可选）发送一个校验位。

   • 停止位：最后将线路拉高（至少1个时钟周期），表示该字节传输结束。

特点：硬件简单，仅需两根线（TX、RX）即可实现全双工，但效率相对较低，且依赖精确的波特率匹配。

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SPI通信实现方式（常使用高位先行的数据交换）

SPI是同步、全双工的通信协议，由主设备完全控制时钟。

核心步骤：

1. 硬件连接：主设备需要连接所有从设备的公共线（SCLK, MOSI, MISO），并为每个从设备提供一条独立的片选线。

2. 通信过程：

   • 初始化：主设备将目标从机的片选线电平拉低，激活该从机。

   • 生成时钟：主设备产生时钟信号，通过SCLK线发送给从机。

   • 数据传输：在时钟信号的每个周期内，主设备通过MOSI线向从机发送一位数据，同时从机也通过MISO线向主设备返回一位数据。一位数据发送和一位数据接收同时完成，实现全双工。

   • 结束通信：通信完成后，主设备将片选线拉高，取消选中该从机。

特点：实现简单，速度非常快，是全双工通信。缺点是引脚占用多（尤其是从设备数量多时），没有硬件应答机制。

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I²C通信实现方式（高位先行的数据传输）

I²C是同步、半双工的通信协议，仅使用两根线支持多主多从。

核心步骤：

1. 硬件连接：所有设备（主、从）的SDA和SCL线分别连接在一起，并且通过上拉电阻接到电源。

2. 通信过程：

   • 起始条件：主设备在SCL为高电平时，将SDA从高拉低，表示一次传输的开始。

   • 地址帧：主设备发送一个7位或10位的从机地址，后面紧跟一个读写位（表示主设备希望读取还是写入数据）。

   • 应答位：被寻址的从机在收到地址匹配后，在第9个时钟周期将SDA线拉低，作为应答信号。

   • 数据帧：主设备或从机开始发送8位数据。每发送完一个字节（8位），接收方必须在第9个时钟周期发送一个应答位。

   • 停止条件：主设备在SCL为高电平时，将SDA从低拉高，表示本次传输的结束。

特点：硬件连接极其简单，支持多主设备和硬件地址寻址。缺点是协议相对复杂，速度较慢，是半双工通信。

三、如何根据需求选择使用的通信协议

• 要速度？ -> 首选 SPI。

• 需要引脚少、设备多？ -> 首选 I²C。

• 只是两个设备简单通信或调试？ -> 首选 UART。

• 需要长距离通信？ -> UART（可转换为RS-485标准实现长距离通信），I²C和SPI通常用于板内短距离通信。