I2C、SPI、UART的通信過程還可以這樣理解

到目前為止，I2C、SPI 和 UART 等仍然是電子嵌入式設(shè)備中最常用的通信協(xié)議，本文，我們將剖析這三種協(xié)議，讓大家清楚、直觀的了解它們的功能、優(yōu)點和局限性，并輔以 GIF 動圖展示。

一、IIC協(xié)議

I2C是一種串行通信協(xié)議，通常用于連接低速設(shè)備，如傳感器、存儲器和其他外設(shè)。它使用兩根線（SCL和SDA）來實現(xiàn)雙向通信，具有地址定向性和主從模式。優(yōu)點：

• 多設(shè)備支持：I2C支持多個設(shè)備連接到同一總線上，每個設(shè)備都有唯一的地址。
• 簡單：I2C協(xié)議相對簡單，易于實現(xiàn)和調(diào)試。
• 低功耗：在空閑狀態(tài)時，I2C總線上的器件可以進入低功耗模式，節(jié)省能量。

缺點：速度較慢：I2C通信速度較低，適用于低速設(shè)備。受限制：I2C的總線長度和設(shè)備數(shù)量受到限制，過長的總線可能導(dǎo)致通信問題。沖突：當(dāng)多個設(shè)備嘗試同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，可能會發(fā)生沖突，需要額外的沖突檢測和處理機制。應(yīng)用案例：就其應(yīng)用而言，連接方面，I2C在需要簡單且經(jīng)濟的通信環(huán)境中表現(xiàn)出色。它尤其擅長在小型傳感器、LCD 屏幕和 RTC（實時時鐘）模塊中使用。此外，I2C 由于其在緊湊電路中的效率，在溫度控制設(shè)備、電池管理系統(tǒng)和 LED 控制器中很有用。但是，在需要快速或長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻椖恐校詈眠x擇其他協(xié)議。

二、SPI協(xié)議

SPI（串行外設(shè)接口）以其高速度而著稱，使其成為快速通信的首選。與 I2C 不同，SPI 使用四線工作：MISO（主輸入從輸出）、MOSI（主輸出從輸入）、SCK（串行時鐘）和 SS（從選擇），允許全雙工通信（發(fā)送和同時接收）。盡管簡單且速度快，但 SPI 比 I2C 需要更多的引腳，這可能是電路設(shè)計中需要考慮的一個因素。優(yōu)點：

• 高速：SPI通信速度較快，適用于對速度要求較高的應(yīng)用。
• 全雙工：SPI支持全雙工通信，可以同時進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

簡單：SPI的通信協(xié)議相對簡單，適用于快速開發(fā)和實現(xiàn)。

缺點：

• 連線復(fù)雜：SPI需要多根線進行連接，可能會增加硬件設(shè)計的復(fù)雜性。
• 長距離傳輸受限：SPI的傳輸距離受到限制，過長的線路可能導(dǎo)致信號衰減和干擾。
• 主從模式限制：SPI通常采用主從模式，主設(shè)備數(shù)量受限，不適用于多主設(shè)備場景。

應(yīng)用案例：SPI 非常適合需要快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，例如 TFT 顯示器、SD 存儲卡和無線通信模塊。然而，在具有許多從站的復(fù)雜系統(tǒng)中，其有效性會降低。

三、UART協(xié)議

UART（通用異步接收器/發(fā)送器）是一種串行通信協(xié)議，因其多功能性和簡單性而被廣泛使用。與 I2C 和 SPI 不同，UART 只需要兩條線即可運行：TX（發(fā)送）和 RX（接收）。該協(xié)議允許異步通信，也就是說發(fā)送器和接收器之間無需共享時鐘。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包包含一個起始位、5 到 9 個數(shù)據(jù)位、一個可選的奇偶校驗位和一個或兩個停止位。優(yōu)點：

• 簡單：UART通信協(xié)議相對簡單，易于實現(xiàn)和調(diào)試。
• 適用性廣泛：UART被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的通信，具有較好的兼容性。
• 距離：UART通信距離較遠，適用于需要長距離傳輸?shù)膱鼍啊?/li>

缺點：

• 速度較低：UART通信速度相對較低，不適用于對速度要求較高的應(yīng)用。
• 雙工：UART通信是雙工的，可以進行低速雙工傳輸數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
• 不可靠：由于UART是異步通信，可能會受到噪聲和干擾的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不可靠。

應(yīng)用案例：

• 微控制器和外設(shè)之間的連接：用于簡單直接的數(shù)據(jù)交換。
• GPS 模塊和與計算機的串行接口：用于可靠、低復(fù)雜性的通信。
• 工業(yè)機器：UART 通常用于工業(yè)設(shè)備中以實現(xiàn)穩(wěn)定的通信。
• 使用 RS 標(biāo)準（例如 RS-232、RS-485）：這些標(biāo)準支持更長距離的 UART 通信，并提供使用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">收發(fā)器創(chuàng)建多從屬網(wǎng)絡(luò)的可能性，從而增加 UART 應(yīng)用的靈活性和廣度。

為我們的項目選擇合適的協(xié)議：

• 通信速度：SPI 提供高速度，UART 提供高靈活性，I2C 適用于速度要求較低接線簡單的配置。
• 電路設(shè)計：I2C 可實現(xiàn)多個設(shè)備的高效空間管理，SPI 可實現(xiàn)大型設(shè)計中的性能，而 UART 可實現(xiàn)簡單性和多功能性。
• 距離和通信環(huán)境：UART 在長距離上具有穩(wěn)定性，而 I2C 更適合短距離。
• 雙工要求：SPI 和 UART 提供全雙工功能，而 I2C 僅限于半雙工。

四、結(jié)論

I2C因其簡單性和用最少的引腳管理多個從設(shè)備的能力而脫穎而出，使其成為短距離配置的理想選擇。SPI具有高速和全雙工模式，非常適合在空間不是主要問題的系統(tǒng)中進行快速高效的數(shù)據(jù)傳輸。UART功能強大且功能強大，在長距離通信和速度要求較低的配置中表現(xiàn)出色。

本文轉(zhuǎn)載自公眾號|芯片之家

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