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UART，IIC，SPI串行通信优缺点

news 2025/9/28 7:02:20

UART（通用异步收发传输器）

工作模式：UART采用异步串行通信模式，无需共享时钟信号，通过起始位（1位低电平）、数据位（5-9位，默认8位，低位先行）、可选校验位（奇/偶/无）、停止位（1/1.5/2位高电平）组成固定帧格式。收发双方需预先配置相同波特率（如9600、115200 bps），以实现数据同步。支持全双工通信（独立TX、RX线），数据按帧传输，每帧包含完整的起始/停止位，便于接收端识别数据边界。

优点：

引脚需求少：仅需2根信号线（TX、RX），适合低成本、小尺寸设备（如单片机与PC通信）。
长距离支持：配合RS-232/RS-485电平转换芯片，传输距离可达数十米至千米（RS-485最长1200米）。
灵活性高：波特率、数据位、校验位等参数可配置，适配不同设备（如GPS模块、蓝牙模块的AT指令通信）。
广泛兼容性：几乎所有MCU均集成UART接口，文档齐全，易于调试（如通过串口输出程序日志）。

缺点：

速率受限：异步传输需预留起始/停止位，有效数据密度低，最高波特率通常≤1Mbps（远低于SPI）。
无硬件寻址：仅支持点对点通信，多设备组网需借助总线协议（如Modbus RTU），增加了软件复杂度。
无错误恢复机制：依赖奇偶校验等简单校验，无法自动纠正数据错误，需上层协议（如TCP/IP）补充。
同步依赖波特率：若收发双方波特率误差超过10%，会导致数据错位，需严格校准（如使用高精度晶振）。

IIC（Inter-Integrated Circuit，集成电路间通信）

工作模式：IIC采用同步半双工通信模式，通过串行时钟线（SCL，主机输出）、串行数据线（SDA，双向）传输数据。所有设备连接到同一总线，主机通过7位/10位从机地址识别目标设备，支持多主多从架构（多主机需通过仲裁机制避免冲突）。数据传输以起始条件（SCL高电平、SDA下降沿）开始，以停止条件（SCL高电平、SDA上升沿）结束，每传输1字节需接收ACK/NACK应答（从机拉低SDA表示ACK）。

优点：

引脚极少：仅需2根信号线（SCL、SDA），适合多设备组网（理论上最多127个从设备，受总线电容≤400pF限制）。
多设备支持：通过地址寻址，无需独立片选线，简化了硬件设计（如传感器网络、存储器组网）。
可靠应答：每传输1字节需接收ACK，确保数据被正确接收，提高了通信可靠性。
同步传输：由主机提供时钟，收发双方严格同步，数据传输稳定，不易受干扰。
速度可调：支持多种速率（标准模式100kbps、快速模式400kbps、高速模式3.4Mbps），满足不同场景需求（如传感器数据采集、EEPROM读写）。

缺点：

速率有限：最高速率3.4Mbps，远低于SPI，不适合高速数据传输（如大容量存储器、视频传输）。
总线限制：总线电容≤400pF，传输距离≤1米（长距离需使用中继器或降低速率），不适合远距离通信。
半双工通信：同一时刻只能单向传输，效率低于SPI（SPI支持全双工）。
冲突问题：多主机同时发送数据时需通过仲裁解决，增加了软件复杂度（如主机需检测SDA线电平，避免冲突）。
时序严格：起始/停止条件的时序（如SCL高电平时SDA变化）要求严格，硬件实现需注意上拉电阻（通常4.7KΩ）和信号完整性（如避免信号反射）。

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）

工作模式：SPI采用同步全双工通信模式，通过串行时钟线（SCK，主机输出）、主机输出/从机输入线（MOSI）、主机输入/从机输出线（MISO）、片选线（CS，主机输出，低电平有效）传输数据。主机通过CS选中从机，SCK同步数据传输，MOSI和MISO同时传输数据（全双工）。数据传输以8位/字节为单位，高位先行（MSB first），时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）可配置（4种模式，如CPOL=0/CPHA=0为模式0，常见于多数设备）。

优点：