一、串口UART

1. UART介绍：

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的缩写，是一种用于串行通信的硬件接口协议。它允许设备之间通过简单的两根线（TX发送、RX接收）进行全双工异步数据传输，无需时钟信号同步，广泛应用于微控制器、嵌入式系统、计算机外设等场景

2.工作原理：

1）接线：TX(发送)，RX(接收)，交叉连接，外加GND（共地），最少2根线

2）同步方式：异步，没有同步时钟线，靠双方约定波特率（常见9600/115200）来对时

3）拓扑：点对点，一收一发，一UART口只能挂一设备

4）全/半双工：全双工（这解释双工（只能单向），半双工（双向都能走，但不能同时），全双工（双向都能走，可以同时进行）），TX、RX 独立走

5）速率：一般9600~3Mbps（115200最常见）

3.特点

1.简单粗暴，最为常见的一种通信协议

2.无地址机制，不支持多设备挂同一条线上

3.长距离，相比IIC和SPI更耐造（RS232/RS485 就是 UART 的电平变种，能跑几十米）

4.通信格式

起始位（1）+数据位（8）+校验位（0/1）+停止位（1/1.5/2）

5.经典应用场景

1.printf重定向，串口调试打印输出

2.蓝牙模块驱动，例如BT07 BT311 M02蓝牙模块，AT指令发送等

二、IIC

1.IIC介绍：

IIC（Inter-Integrated Circuit，集成电路互联总线）​ 是一种同步、半双工、多主多从、串行通信总线，由飞利浦（现恩智浦）在 1982 年发明，用于在同一块电路板上连接低速外设

2.工作原理

1）接线：SDA(数据线)，SCL(时钟线)，外加GND（共地），2根线挂所有设备

2）同步方式：同步，有SCL时钟线

3）拓扑：多主多从，每条线上可以挂多个设备，每个设备有7位/10位地址，主机通过发送相应从机地址，来进行通信

4）全/半双工：半双工（SDA一根线分时收发）

5）速率：标准100Kbps，快速400Kbps，高速3.4Mbps

3.特点

1.真正的总线式，省引脚，通过发送不同从机地址，进行主从通信

2.有应答/非应答机制

3.开漏输出+上拉电阻，遵循线与逻辑（任意一个拉低，总线就会变低，只有都将总线释放，靠外部上拉电阻拉高，总线才会呈现高电平）

4.串行，数据按位在单根线上逐个传输

一句话记住它：用两根线（SDA + SCL）挂一堆设备，每次喊地址找人干活，谁喊谁主、被喊的从，说完就放总线给别人用

4.通信格式

起始信号 + 从机地址（7bit）+ 读写位（0=写，1=读）+ ACK（从机应答）+ 数据字节（MSB先行）+ ACK + 停止信号

1）起始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高→低产生一个下降沿

2）停止信号：SCL 为高电平时，SDA 由低→高产生一个上升沿

3）地址与读写：7 位从机地址左对齐，最低位为读写位（0 写 / 1 读），组成 8 位发送

4）应答机制：每发送完一个字节后，接收方在第 9 个 SCL 时钟周期拉低 SDA 表示 ACK；若接收方不拉低（保持高电平）则为 NACK，通常表示传输结束或从机忙

5）数据字节：每次传输 1 字节（8 位），MSB（最高位）先发，可连续发送多个字节，每字节后跟一个 ACK

5.经典应用场景

1.OLED屏幕驱动

2.光照传感器（BH1750），温湿度传感器（DHT11）等等

3.EEPROM

三、SPI

1.SPI介绍：

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）​ 是一种同步、全双工、一主多从、串行通信总线，由摩托罗拉在 1980 年代推出，用于 MCU 与外围芯片之间高速交换数据

2.工作原理

1）接线：CS(片选线)，SCK(时钟线)，MISO（主收从发），MOSI（主发从收），标准为4根线

若为OLED/LCD屏幕驱动，则只需要三根线：CS(片选线)，SCK(时钟线)，MOSI（主发从收）

2）同步方式：同步，有SCK时钟线

3）拓扑：一主多从，每个从设备独占一条CS片选线，主设备和那个从设备通信，就先把那个从机的CS线拉低

4）全/半双工：全双工（MOSI/MISO 同时跑），主机在SCK低电平期间，把数据逐位放在MOSI线上，从机在高电平期间进行读取，随着相同的SCK同步时钟信号下，从设备在SCK低电平期间，把数据逐位放在MISO线上，主机在高电平期间进行读取

5）速率：几 Mbps ~ 几十 Mbps（常见 10M/20M/50M，高端能上百 M）

3.特点

1.最快的板级协议，无地址、无应答，纯靠 CS 选人

2.无标准"谁来发"的仲裁，全靠主设备控 CS 和 SCK

3.引脚占用多（N 个从设备要多 N 根 CS）

4.通信格式

SPI 通信以主设备产生的 SCK 时钟为同步基准，数据在 MOSI 和 MISO 线上同时传输。每次传输以 CS 片选信号拉低开始，以 CS 拉高结束。

1）数据帧结构

SPI 没有固定的帧格式，通常以 8 位（1 字节）为基本传输单位，MSB（最高位）先行。主设备在 SCK 的每个时钟周期通过 MOSI 发送 1 位数据，同时从设备通过 MISO 返回 1 位数据，实现全双工传输。连续传输多个字节时，CS 保持低电平，SCK 持续输出时钟脉冲。

2）时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）

SPI 通过 CPOL 和 CPHA 两个参数组合出 4 种工作模式，决定数据在 SCK 的哪个边沿被采样和发送：

• CPOL（Clock Polarity）：定义 SCK 空闲时的电平。
  CPOL = 0：空闲时 SCK 为低电平；
  CPOL = 1：空闲时 SCK 为高电平。
• CPHA（Clock Phase）：定义数据在 SCK 的哪个边沿被采样。
  CPHA = 0：在 SCK 的第一个边沿（上升沿或下降沿，取决于 CPOL）采样数据；
  CPHA = 1：在 SCK 的第二个边沿采样数据。

3）四种模式详解（模式 0 ~ 模式 3）

• 模式 0（CPOL=0, CPHA=0）：SCK 空闲为低，在 SCK 上升沿采样数据，下降沿发送数据。这是最常用的模式，大多数 SPI 外设默认支持。
• 模式 1（CPOL=0, CPHA=1）：SCK 空闲为低，在 SCK 下降沿采样数据，上升沿发送数据。
• 模式 2（CPOL=1, CPHA=0）：SCK 空闲为高，在 SCK 下降沿采样数据，上升沿发送数据。
• 模式 3（CPOL=1, CPHA=1）：SCK 空闲为高，在 SCK 上升沿采样数据，下降沿发送数据。

4）数据传输时序示例（模式 0）

以模式 0（CPOL=0, CPHA=0）传输 1 字节 0xA5（二进制 1010_0101）为例：

1. 主设备将 CS 拉低，选中从设备。
2. SCK 空闲为低，主设备在 SCK 下降沿将数据位放到 MOSI 线上（第一位 MSB = 1）。
3. SCK 上升沿到来时，从设备在 MOSI 上采样该位；同时从设备在 MISO 上放置自己的数据位，供主设备在下一个上升沿采样。
4. 重复步骤 2-3 共 8 个 SCK 周期，完成 1 字节传输。
5. 主设备将 CS 拉高，结束本次传输。

主从双方必须工作在相同的 CPOL 和 CPHA 模式下，否则采样边沿错位会导致数据错误。实际开发中，需查阅从设备数据手册确认其支持的 SPI 模式，并在主设备端配置一致。

5.经典应用场景

1.OLED/LCD屏幕驱动

2.Flash（W25Q64）

3.ADC

四、三者区别

下表从多个维度对 UART、IIC 和 SPI 三种常见串行通信协议进行对比，帮助读者快速理解各自的特点与适用场景：