UART与I2C、SPI总线有什么区别？

UART（Universal Asynchronous Receiver / Transmitter）通用异步收发器是一种常用的串行通信协议，在汽车嵌入式系统中常用于MCU与MCU，或MCU与外设之间的数据通信。

可用于线路板内部芯片间串行通信的还有SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）总线《为什么说SPI总线的数据传输与众不同？》和I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路互连）总线《I2C与SPI总线有什么区别？》。

UART是如何通信的？它与SPI和I2C通信协议有什么区别呢？

1.通信方式

1.1物理接口

SPI总线有4条线，串行数据线MOSI和MISO、串行时钟线SCK和从设备选择线SS。

SPI总线接口1对1原理框图

I2C总线仅需要两条线就可以实现芯片之间的互连通信，这两条线分别为串行数据线SDA和串行时钟线SCL。

I2C总线接口1对1原理框图

UART总线也只需两条线就可以实现芯片之间的互连通信，这两根线分别为串行数据发送线TX和串行数据接收线RX。

UART接口1对1原理框图

这里要注意的是，UART信号线必须交叉连接，也就是己方的发送TX与对方的接收RX相连，己方的接收RX与对方的发送TX相连。

通过三种通信接口对比可知，UART的物理接口最简单，不仅线少，而且不需要上拉电阻等外围电路。

1.2全双工与半双工

SPI共有4个线，其中有2个数据线MOSI和MISO；UART共有2个线，分别是数据线TX和RX；I2C共有2个线，只有1个数据线SDA。

SPI和UART的2个数据线分别用于发送和接收，所以可以实现全双工的通信，所谓的双工就是指可以在发送与接收两个方向上传输数据，全双工就是可以同时进行收发。

而I2C只用1根数据线，也可以实现两个方向的传输，但是同一时刻只能进行收或发，不能同时进行，因此I2C是一种半双工的通信方式。

SPI用4个线实现了全双工，I2C用2个线实现了半双工，而UART只用2个线就实现了全双工的通信方式，可以说性价比非常高！

1.3通信速率

SPI并没有规定最大传输速率，传输速率主要取决于SCK串行时钟频率，而SCK又取决于芯片的工作频率，通常可以达到20MHz甚至更高。

I2C的传输速率不仅与SCL时钟频率有关，还与工作模式有关，8位的串行双向数据传输速率在标准模式下最高可达100 kbit/s，在快速模式下最高可达400 kbit/s，在快速增强模式下最高可达1 Mbit/s，在高速模式下最高可达3.4 Mbit/s。8位的单向数据传输，在超快速模式下最高可达5 Mbit/s。

UART在外部物理接口上并没有SCK或SCL等时钟信号，它的通信速率，也就是波特率与MCU中的系统时钟有关，可根据MCU内部的分频器设置，常常见的波特率有2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200。

在这三种通信协议中，SPI的通信速率最快，其次是I2C，UART的传输速度最慢！

1.4同步与异步

同步通信是指收发双方具有同频率和同相位的同步时钟信号，在传送报文开始时会通过特定的同步字符，使收发双方建立同步，此后在同步时钟的控制下逐位发送和接收。

SPI和I2C就是同步串行通信。SPI主设备负责产生时钟信号，从设备必须使用主设备的时钟信号，时钟信号通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）控制两个SPI 设备间何时数据传输以及何时进行采样，通过相同的工作模式来保证数据在两个设备之间的同步传输。

SPI Clock Format 1 (CPHA = 1)

I2C的时钟同步是通过SCL接口和SCL总线之间的“线与”连接来执行的。当有两个主机同时启动传输时，主机一的SCL接口检测到总线上由高电平到低电平的转换时，便拉低自己的SCL，并开始倒计时应有的SCL低电平保持时间，直到应有的低电平时间结束，会把SCL时钟拉到高电平状态。

如果主机二的SCL时钟仍然处于低电平周期内，则主机一的SCL时钟由低到高的转换不会改变SCL总线为低电平的状态，主机一的SCL时钟会进入高电平等待状态。因此，SCL总线会被具有最长低电平周期的主机保持在低电平。

当所有的主机都已完成自身低电平周期的计时时，SCL时钟总线会被释放并变为高电平。主机SCL接口和SCL总线的状态之间保持一致，都为高电平。所有主机开始计算它们的高电平周期。第一个完成高电平周期的主机再次将SCL线拉低。

这样，就产生了同步的SCL总线时钟，其低周期由具有最长时钟低周期的主机确定，其高周期由具有最短时钟高周期的主机确定。

I2C总线时钟同步

UART没有时钟线，只有发送和接收数据线，是异步串行通信接口，UART异步通信是按帧（5-9位）发送，常用的为按字符（8位）发送。通信中两个帧之间的时间间隔是不固定的，而在一个帧内各位的时间间隔是固定的。

UART帧发送时间不固定

异步通信发送端可以在任意时刻开始发送数据帧，接收端必须时刻做好接收的准备。异步通信在帧内是通过起始位和结束位来确定位时序的，这样就可以确保接收端能够完整准确地收到每一个数据帧。

由于异步通信没有主设备提供的时钟，通信双方必须预先设置相同的波特率才能正常收发数据。

1.5单点与多点通信

SPI和I2C总线都采用主从模式通信，通信网络中都会有1个主设备，1个以上的从设备，也就是可以实现多点通信。

主设备在查找从设备时，SPI为硬件寻址，通过SS硬线信号选择从设备。

SPI总线1主3从原理框图

I2C为软件寻址，主设备通过数据线中的地址数据来实现片选功能。

I2C总线2主2从原理框图

UART通信中并没有地址的概念，也没有主从的概念。每个设备在发送数据时，会拉低TX管脚，而接收数据时则依赖于对方设备的TX管脚被拉低。这种机制决定了UART通信在设备直连时只能实现一对一的通信，也就是单点通信。因为如果是多个设备连接TX，当一个设备发送数据时，其他设备的TX也会被拉低，导致电平逻辑混乱，无法正确接收数据。

所以SPI和I2C是多点连接，可以称为总线，但是UART只能单点连接，不能称为总线。

2.通信协议

UART的通信的基本原理是将并行数据转换为按位输出的串行数据，每个数据帧的位数不是固定的，范围是5-9个位。

2.1空闲位

通信空闲时，信号线上始终为高电平，表示无数据传输。

2.2起始位

起始位为低电平，当发送端发出起始位时，表示传输字符的开始；当接收端Rx收到起始位，也就是信号电平由高到低转换时，接收端就会以预先设定好的波特率接收数据。

2.3数据位

起始位后，发送端TX会开始发送数据，数据帧长度可以是5-9位。没有奇偶校验位时最大是9位，有奇偶校验位时最大是8位。

2.4校验位

数据传输完成后会有1个校验位，校验方法主要使用的是奇偶校验，奇偶校验位的值取决于数据帧中“1”的总数是奇数还是偶数。

除了奇偶校验，还有其它方式可以设置：

1）无校验：无校验就是不进行数据校验；没有校验位时，数据帧可以增加1位，所以最大是9位。

2）奇校验：确保包含校验位在内的数据帧中1的个数是奇数。

比如当数据中1的个数是4(偶数)时，校验位为1，确保总数4+1=5为奇数。

当个数是3（奇数）时，校验位为0，确保总数3+0=3仍为奇数。

3）偶校验：确保包含校验位在内的数据帧中1的个数是偶数。

比如当数据中1的个数是4(偶数)时，校验位为0，确保总数4+0=4为偶数。

当个数是3（奇数）时，校验位为1，确保总数3+1=4仍为偶数。

偶校验与奇校验的结果刚好相反。

奇偶校验

4）固定1校验，校验位始终为1。

5）固定0校验，校验位始终为0。

2.4停止位

停止位为高电平，表示数据传输结束。停止位长度为1-2位，可以选择1、1.5或2位的时长。

与SPI和I2C相比，UART的协议要简单很多，不需要时钟同步信号。

I2C总线数据传输格式

UART也不需要应答、仲裁等机制。

SPI通讯时序图

3.通信实例

设置通信数据为8位，停止为1位，传输数据为0x25（00100101）时，数据传输时序如下图所示：

0x25数据传输时序

这里要注意的是，UART的数据传输是低位LSB在前，所以时序图中的数据顺序是10100100。

4.小结

UART是异步串行通信，SPI和I2C总线是同步串行通信，UART和SPI是全双工，I2C是半双工。

与SPI和I2C相比，UART的接口简单，不需要复杂的同步机制，对时序的要求比较低。它的通信速率不高，传输效率也不高，适合用于数据量不大，实时性要求不高的点对点的应用场景，是一种简单、经济、有效的串行通信方式。