串行通信三兄弟 · UART / I2C / SPI

嵌入式/工控里最常用的三种串行总线：原理、接线、时序、坑。写作用，边看边用。

UART I2C SPI STM32 串行总线
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★一句话总览
先记住各自最本质的区别。
  • UART：点对点打电话，两根线，没有时钟，靠约定好的"语速"（波特率）对齐。
  • I2C：一条总线挂一堆小弟，两根线，靠"地址"点名，速度慢但省线。
  • SPI：老板直接喊名字发数据，四根线，全双工又最快，但线多。
一UART（异步串口）
最简单，点对点。
接线（交叉）
MCU_A TX ──── RX MCU_B
MCU_A RX ──── TX MCU_B
GND   ─────────── GND
（A 的发送接 B 的接收，TX/RX 交叉）
原理
  • 没有时钟线，收发双方各自用自己的时钟，但"语速"必须一致（波特率，如 9600、115200）。这就是"异步"的含义。
  • 空闲时 TX 保持高电平；发数据时先拉低一位（起始位），按位发数据（LSB 先发），最后拉高（停止位），可加校验位。
  • 帧格式：起始位(0) + 数据位8 + 停止位(1)，空闲 = 1。
  • 全双工：TX/RX 独立，可同时收发。
特点
  • 最少只要 2 根线 + GND；点对点为主（TTL 电平一般只连两个设备）。
  • 速度：常见 9600 ~ 115200bps，快可达几 Mbps，距离越远越慢。
  • 物理层可变形：RS232（±12V，电脑串口）、RS485（差分对，1200m，一主多从，工业最常用）。
  • 没有寻址概念，485 总线靠"问一句答一句"的轮询协议（Modbus-RTU）实现多机。
典型应用

调试打印（printf 重定向）、GPS/蓝牙/4G 模块、AT 指令；工控里：触摸屏与 PLC、串口屏、扫码枪、RS485 仪表。

常用坑
  • 两边波特率必须一致，误差最好 <2%。
  • TX 接 RX，接反了没反应。
  • STM32 HAL：HAL_UART_Transmit(&huart1, buf, len, timeout)
二I2C（IIC，两线串行）
线最少，一个总线挂一堆从机。
接线
5V ── 4.7k ──┬── SCL     （上拉电阻，典型 4.7k，快速模式 2.2k/1k）
             └── SDA
MCU SCL ──── SCL  从机1  从机2  从机3 ...
MCU SDA ──── SDA  (每个从机有唯一 7 位地址)
原理
  • 半双工：SCL 是主机产生的时钟，SDA 传数据，同一时刻只能一个方向。
  • 开漏输出 + 上拉电阻：谁都不拉 = 高，想发 0 就拉低（"线与"基础，必须有上拉电阻）。
  • 时序要素：起始条件（SCL 高时 SDA 下降沿）→ 发地址+读写位 → 从机应答 ACK → 数据字节（每字节后从机拉低 ACK）→ 停止条件（SCL 高时 SDA 上升沿）。
  • 多从机靠地址区分：主机广播地址，只有地址匹配的从机应答；一主多从最常见，也支持多主机（总线仲裁）。
特点
  • 2 根线可挂几十个器件，地址寻址，加设备只并线不增线。
  • 慢：标准 100kbps，快速 400kbps，高速 3.4Mbps。
  • 距离最短（板内 1m 以内），线长/器件多会让波形变钝，速率上不去。
  • 软件模拟容易（GPIO 翻转即可），对时序有一定要求。
典型应用

EEPROM（AT24C02/04）、RTC（DS3231/PCF8563）、温湿度/气压传感器、OLED 屏（SSD1306）、ADC/DAC、加速度计。

常用坑
  • 忘加上拉电阻 → 通讯完全不通；上拉太小或器件太多 → 波形变钝。
  • 地址冲突（两个器件同地址，如 0x50 的 EEPROM 和某传感器）。
  • 从机忙时会回 NACK，软件要处理重试。
  • STM32 HAL：HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, addr, reg, size, buf, len, timeout)
三SPI（同步串行外设接口）
最快，全双工。
接线（一主一从）
MCU SCLK ──── SCLK   时钟（主机产生）
MCU MOSI ──── MOSI   主机出→从机入
MCU MISO ──── MISO   从机出→主机入
MCU CS   ──── CS     片选（低电平有效）
GND   ──── GND

一主多从：SCLK/MOSI/MISO 并联共享，每个从机单独一根 CS
原理
  • 本质是"环形移位寄存器"：主机发一位的同时从机也回一位，天然全双工。
  • 同步：所有动作跟 SCLK 走，没有波特率概念，速度由主机决定。
  • 4 种模式（CPOL 时钟极性 + CPHA 相位）决定数据在哪个边沿采样，主从必须一致（常用 Mode 0：空闲低、上升沿采样）。
  • 从机完全被动：主机拉低 CS 并给时钟它才能收/发，不能主动说话。
  • 没有标准应答/地址机制，数据格式全靠自己约定。
  • 读操作套路：拉低 CS → 发"读命令+地址" → 发假数据顺便收数据 → 拉高 CS。
特点
  • 快：轻松几十 Mbps（STM32 SPI 分频后 18~36Mbps），是 I2C 的百倍级。
  • 全双工、协议开销最小（纯移位，想发啥发啥）。
  • 线多（至少 4 根，多从机更多），距离短（板内 ~10cm~1m）。
  • 从机数量受限于 CS 引脚（或用 GPIO 扩展 / 菊花链）。
典型应用

Flash（W25Q64 等）、SD 卡、TFT 屏、高速 ADC、热电偶（MAX6675）、CAN 控制器（MCP2515）、以太网芯片。

常用坑
  • 模式不匹配（CPOL/CPHA 错）→ 数据全乱，检查主从 Mode 是否一致。
  • CS 拉高/拉低顺序不对 → 从机不响应。
  • 读数据要先发假字节"把时钟敲起来"才有 MISO 数据。
  • STM32 HAL：HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, tx, rx, len, timeout)
四三者对比
一张表记住差异。
项目UARTI2CSPI
线数2+地2+地（需上拉电阻）4+地（每从机多 1 根 CS）
方向全双工半双工全双工
时钟无（异步，约定波特率）SCL（主机产生）SCLK（主机产生）
速度低~中低（100k/400k/3.4M）高（几十 M）
多设备点对点（RS485 可多机）地址寻址，最多挂几十个片选寻址，受 CS 引脚限制
距离TTL 短 / RS485 很长最短（板内）短（板内）
从机主动可（全双工随时发）不可（等主机叫）不可（等主机拉 CS）
应答机制无每字节 ACK/NACK无（自定义协议）
典型场合调试/模块/RS485 仪表传感器/EEPROM/RTC/OLEDFlash/屏/SD/ADC
五怎么选（嵌入式/工控角度）
按需求对号入座。
  • 调试打印、和电脑/屏/模块对话 → UART
  • 板上挂一堆慢速器件、想省引脚 → I2C（EEPROM、温湿度、RTC）
  • 要速度、传大量数据、读写 Flash/屏 → SPI
  • 工业现场长距离多机、抗干扰 → RS485（UART 物理层）或 CAN（带冲突仲裁，RS485 没有仲裁只能主问从答）
✅
一句话记忆。UART 靠"语速约定"点对点；I2C 靠"地址点名"省线；SPI 靠"片选点名 + 全双工"最快。
六注意事项
实战经验。
💡
波特率。UART 波特率误差最好 <2%，115200 配 115200，别配成 115200 对 9600。
✅
排查顺序。通讯不上先查：共地（GND 必须连）→ 接线（TX/RX 交叉、MOSI/MISO 别接反）→ 电平（3.3V 对 5V 是否要转换）→ 参数（波特率/模式/地址）。
⚠️
I2C 忘加上拉 = 全灭。新板子 I2C 不通，90% 是上拉电阻没焊或者焊错值。
⚠️
SPI 模式。CPOL/CPHA 主从不一致时数据"看起来对但全错"，先确认从机数据手册要求的 Mode。
📚 知识库 · 串行通信三兄弟 生成于 2026-08-13
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