UART、I2C、SPI 三大串行协议对比与选型

做嵌入式开发，串行通信协议是绕不开的基本功。UART、I2C、SPI 这三大协议几乎出现在每一个项目中，但它们的特性、适用场景和”坑点”差异很大。选错了协议，轻则布线复杂，重则通信不稳、调试困难。

本文从硬件连接到软件要点，把三者讲清楚，并给出选型建议。

一、三大协议速览

特性	UART	I2C	SPI
引脚数	2（TX/RX）	2（SCL/SDA）	4（SCLK/MOSI/MISO/CS）
通信方式	异步	同步	同步
拓扑	点对点	多主多从（总线）	一主多从
速度	常用 115200bps	100k/400k/1M/3.4M	可达几十 MHz
硬件复杂度	最低	中等（需上拉电阻）	较高（独立 CS 线）

二、UART：最朴素的异步通信

UART 不需要时钟线，靠双方约定一致的波特率来”同步”，因此叫异步通信。它是从设备调试、GPS、蓝牙模块（透传）、串口屏的首选。

/* STM32 HAL 库 UART 收发示例 */
uint8_t buf[32];

/* 阻塞发送 */
HAL_UART_Transmit(&huart1, buf, sizeof(buf), 100);

/* 中断接收（常用方式） */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, buf, 1);

UART 的坑主要有两个：一是波特率不匹配导致乱码；二是没有硬件流控时容易丢数据。高速大数据量场景下，要配合 DMA 使用。

三、I2C：两根线的总线标配

I2C 用一根数据线 SDA + 一根时钟线 SCL，就能挂载上百个设备（通过 7 位或 10 位地址区分）。特别适合传感器、EEPROM、RTC、PMIC 这类低速外设。

/* 读取一个 I2C 传感器的寄存器 */
uint8_t reg = 0x0F;    /* 寄存器地址 */
uint8_t data = 0;

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SENSOR_ADDR, &reg, 1, 100);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SENSOR_ADDR, &data, 1, 100);

I2C 有两个经典坑：

1. 必须加上拉电阻（典型 4.7kΩ 到 VCC），否则总线无法拉高；很多”读不到数据”的问题其实是没有上拉。
2. 总线死锁：主机复位时从机可能还在拉低 SDA，导致总线一直被占用。解决办法是软件上做九脉冲恢复。

四、SPI：高速外设的利器

SPI 是同步通信，速度快、协议简单，是小屏（OLED/TFT-LCD）、Flash（W25Q 系列）、ADC/DAC、IMU 等高速外设的首选。代价是每个从设备都要一根独立的 CS（片选）线。

/* SPI 读取 W25Q64 Flash 的 JEDEC ID */
uint8_t cmd = 0x9F;
uint8_t id[3] = {0};

HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);   /* 拉低 CS */
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, 100);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, id, 3, 100);
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);     /* 拉高 CS */

SPI 的坑主要在时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）这两个模式参数上——主从双方必须配置一致，否则数据错位。另外要留意 CS 的时序，很多从设备要求 CS 在传输前后有足够的高电平间隔。

五、选型决策

记住几个原则：

• 点对点、低速、调试/透传 → UART
• 总线多设备、低速、引脚紧张 → I2C
• 点对点/多从、高速、大吞吐 → SPI
• 超长距离或抗干扰要求高 → 考虑 RS485（UART 的差分扩展）或 CAN

实际项目中三者经常同时出现：主控用 UART 接调试串口，用 I2C 挂传感器，用 SPI 驱动屏幕和 Flash。熟练区分并正确选型，是嵌入式工程师的基本素养。

总结

UART 胜在简单通用，I2C 胜在省引脚和支持总线拓扑，SPI 胜在速度。三者没有绝对的优劣，关键是根据速率需求、引脚预算、设备拓扑、抗干扰要求来匹配。搞懂了这三根”线”，你就打通了 90% 嵌入式外设通信的任督二脉。