1. UART, SPI, I2C 区别汇总
| 特性 | UART | SPI | I2C |
|---|---|---|---|
| 通信方式 | 串行、异步通信 | 串行、同步通信 | 串行、同步通信 |
| 传输速率 | 较低（9600-115200bps） | 高速（通常超过 1 Mbps） | 较慢（通常在 100 kbps 到 400 kbps） |
| 引脚数量 | 2 根（TX 和 RX） | 4 根（MOSI, MISO, SCLK, CS） | 2 根（SDA, SCL） |
| 连接方式 | 点对点通信 | 主从模式（1 主与多个从） | 支持多主多从（设备通过地址区分） |
| 传输方向 | 全双工 | 全双工（主从间双向传输） | 半双工（单向传输） |
| 应用场景 | 简单的设备间通信，如 GPS 模块、蓝牙 | 高速设备通信，如 SD 卡、显示器 | 适合低速设备的多设备通信，如传感器 |
2. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
工作原理
- 串行通信协议：UART 是一种基于串行通信的协议，通常用于点对点通信，即一对一的数据传输。数据按位顺序发送和接收。
- 异步传输：UART 不需要时钟信号进行同步，而是通过预先设定的波特率（Baud Rate）来确保双方在同一速率下发送和接收数据。
- 全双工通信：支持同时进行发送和接收操作。
特点
- 数据传输方式：使用两条线进行数据传输，分别是 TX（发送） 和 RX（接收）。
- 波特率：通信双方需配置相同的波特率（传输速率），通常从 9600 到 115200bps 等。
- 控制信号：一般使用 起始位、数据位、校验位 和 停止位 来标识数据的开始、结束和错误检查。
优缺点
- 优点：
- 简单易用，硬件要求较少。
- 支持全双工传输。
- 广泛应用于串口通信。
- 缺点：
- 仅支持点对点通信，无法同时连接多个设备。
- 波特率的限制使得传输距离受到影响。
应用场景
- 用于微控制器、PC 和外部设备之间的通信，如 GPS 模块、蓝牙串口通信等。
3. SPI (Serial Peripheral Interface)
工作原理
- 同步通信协议：SPI 是同步的串行通信协议，使用时钟信号进行数据传输，以确保数据在同一时钟周期下同步交换。
- 主从模式：SPI 通信采用主从结构，通常由一个主设备控制多个从设备。每个从设备通过 片选（Chip Select, CS） 信号与主设备进行通信。
- 全双工通信：数据可以同时在主从设备之间进行传输，具有较高的传输速度。
特点
- 数据传输线：SPI 需要至少 4 条线：
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备向从设备传输数据。
- MISO（Master In Slave Out）：从设备向主设备传输数据。
- SCLK（Serial Clock）：由主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输。
- CS/SS（Chip Select/Slave Select）：选择当前通信的从设备。
优缺点
- 优点：
- 高速传输（通常高于 UART 和 I2C）。
- 支持全双工通信。
- 简单、易于实现。
- 缺点：
- 需要更多的引脚，尤其是当从设备较多时。
- 需要不同的时钟和片选信号，随着设备数量的增加，硬件接线会变得复杂。
应用场景
- 常用于高速度的外设连接，如 SD 卡、传感器、LCD 显示器等。
4. I2C (Inter-Integrated Circuit)
工作原理
- 同步通信协议：I2C 也是同步协议，采用两个信号线进行数据传输：数据线 (SDA) 和时钟线 (SCL)。
- 主从模式：I2C 也采用主从结构，但与 SPI 不同，I2C 支持多个主设备和从设备连接在同一总线上。每个从设备通过唯一的地址来识别。
- 半双工通信：数据在传输过程中为单向，数据的发送和接收是交替进行的。
特点
-
数据传输线：I2C 只需要两条线：
- SDA（Serial Data Line）：数据线。
- SCL（Serial Clock Line）：时钟线。
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设备地址：I2C 中每个从设备都有一个唯一的 7 或 10 位地址，用于区分不同的设备。
-
多主机支持：I2C 可以支持多个主设备，同时控制多个从设备。
优缺点
- 优点：
- 只需两条线即可连接多个设备，简化硬件设计。
- 可以通过地址识别多个设备，适合多设备系统。
- 低功耗，适合在功耗要求较低的场合使用。
- 缺点：
- 速度相对较慢，通常低于 SPI。
- 支持的设备数目有限（地址空间限制）。
- 数据传输受总线负载影响，传输速度较低。
应用场景
- 常用于连接多个低速外设，如温度传感器、EEPROM、RTC（实时时钟）等。
总结
- UART：适合点对点、简单的串行通信，通常用于单一设备之间的通信，且硬件要求较少。
- SPI：适合需要高速、高带宽传输的设备，且需要全双工通信。适用于主从结构的通信，但引脚数量较多。
- I2C：适合多个设备共享同一总线的低速通信，且只需要两根线。常用于传感器和 EEPROM 等设备。