到目前为止，I2C、SPI 和 UART 等仍然是电子嵌入式设备中最常用的通信协议，本文，我们将剖析这三种协议，让大家清楚、直观的了解它们的功能、优点和局限性，并辅以 GIF 动图展示。
I2C 协议
I2C是一种串行通信协议，通常用于连接低速设备，如传感器、存储器和其他外设。它使用两根线（SCL和SDA）来实现双向通信，具有地址定向性和主从模式。
优点：
- 多设备支持：I2C支持多个设备连接到同一总线上，每个设备都有唯一的地址。
- 简单：I2C协议相对简单，易于实现和调试。
- 低功耗：在空闲状态时，I2C总线上的器件可以进入低功耗模式，节省能量。
缺点：
- 速度较慢：I2C通信速度较低，适用于低速设备。
- 受限制：I2C的总线长度和设备数量受到限制，过长的总线可能导致通信问题。
- 冲突：当多个设备尝试同时发送数据时，可能会发生冲突，需要额外的冲突检测和处理机制。
应用案例：
就其应用而言，连接方面，I2C在需要简单且经济的通信环境中表现出色。它尤其擅长在小型传感器、LCD 屏幕和 RTC（实时时钟）模块中使用。此外，I2C 由于其在紧凑电路中的效率，在温度控制设备、电池管理系统和 LED 控制器中很有用。但是，在需要快速或长距离数据传输的项目中，最好选择其他协议。
读写等详细的通信过程可参考下文：
老宇哥带你玩转 ESP32：07 I2C协议，看这一篇就够了 （点击阅读）
SPI 协议
SPI（串行外设接口）以其高速度而著称，使其成为快速通信的首选。与 I2C 不同，SPI 使用四线工作：MISO（主输入从输出）、MOSI（主输出从输入）、SCK（串行时钟）和 SS（从选择），允许全双工通信（发送和同时接收）。尽管简单且速度快，但 SPI 比 I2C 需要更多的引脚，这可能是电路设计中需要考虑的一个因素。
优点：
- 高速：SPI通信速度较快，适用于对速度要求较高的应用。
- 全双工：SPI支持全双工通信，可以同时进行数据发送和接收。
- 简单：SPI的通信协议相对简单，适用于快速开发和实现。
缺点：
- 连线复杂：SPI需要多根线进行连接，可能会增加硬件设计的复杂性。
- 长距离传输受限：SPI的传输距离受到限制，过长的线路可能导致信号衰减和干扰。
- 主从模式限制：SPI通常采用主从模式，主设备数量受限，不适用于多主设备场景。
应用案例：
SPI 非常适合需要快速可靠的数据传输的情况，例如 TFT 显示器、SD 存储卡和无线通信模块。然而，在具有许多从站的复杂系统中，其有效性会降低。
UART 协议
UART（通用异步接收器/发送器）是一种串行通信协议，因其多功能性和简单性而被广泛使用。与 I2C 和 SPI 不同，UART 只需要两条线即可运行：TX（发送）和 RX（接收）。该协议允许异步通信，也就是说发送器和接收器之间无需共享时钟。数据被组织成数据包，每个数据包包含一个起始位、5 到 9 个数据位、一个可选的奇偶校验位和一个或两个停止位。
优点：
- 简单：UART通信协议相对简单，易于实现和调试。
- 适用性广泛：UART被广泛应用于各种设备之间的通信，具有较好的兼容性。
- 距离：UART通信距离较远，适用于需要长距离传输的场景。
缺点：
- 速度较低：UART通信速度相对较低，不适用于对速度要求较高的应用。
- 双工：UART通信是双工的，可以进行低速双工传输数据，进行数据的发送和接收。
- 不可靠：由于UART是异步通信，可能会受到噪声和干扰的影响，导致数据传输不可靠。
应用案例：
- 微控制器和外设之间的连接：用于简单直接的数据交换。
- GPS 模块和与计算机的串行接口：用于可靠、低复杂性的通信。
- 工业机器：UART 通常用于工业设备中以实现稳定的通信。
- 使用 RS 标准（例如 RS-232、RS-485）：这些标准支持更长距离的 UART 通信，并提供使用适当的收发器创建多从属网络的可能性，从而增加 UART 应用的灵活性和广度。
为我们的项目选择合适的协议：
- 通信速度：SPI 提供高速度，UART 提供高灵活性，I2C 适用于速度要求较低接线简单的配置。
- 电路设计：I2C 可实现多个设备的高效空间管理，SPI 可实现大型设计中的性能，而 UART 可实现简单性和多功能性。
- 距离和通信环境：UART 在长距离上具有稳定性，而 I2C 更适合短距离。
- 双工要求：SPI 和 UART 提供全双工功能，而 I2C 仅限于半双工。
结论
I2C因其简单性和用最少的引脚管理多个从设备的能力而脱颖而出，使其成为短距离配置的理想选择。
SPI具有高速和全双工模式，非常适合在空间不是主要问题的系统中进行快速高效的数据传输。
UART功能强大且功能强大，在长距离通信和速度要求较低的配置中表现出色。
作者：晓宇
来源：芯片之家
推荐阅读
欢迎大家点赞留言，更多Arm技术文章动态请关注极术社区嵌入式客栈专栏欢迎添加极术小姐姐微信（id:aijishu20)加入技术交流群，请备注研究方向。
