逼真动画演示I2C、SPI、UART的通信过程

嵌入式微处理器 · 公众号 · · 2024-04-08 12:00

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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。本文将剖析这三种协议，让大家清楚、直观地了解它们的功能、优点和局限性，并辅以GIF动图展示。

一、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，可参考文章：

老宇哥带你玩转ESP32：07 I2C协议，看这一篇就够了 （点击阅读）

二、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。

三、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。

四、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。

逼真动画演示I2C、SPI、UART的通信过程

正文

一、I2C协议

二、SPI协议

三、UART协议

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