I2C、SPI、UART 总线协议深度对比#

三张时序图看懂三种协议#

在示波器上看这三种协议的波形，差别一目了然：

UART：一根线（TX 或 RX），无时钟线。靠双方约定的波特率同步：

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Start(D0) D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Stop
2
  ─┐   ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌───
3
   └───┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘

SPI：四线制（至少三线），主设备产生时钟：

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SCLK: ─┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌─
2
MOSI: ──X──X──X──X──X──X──X──X──X─────────
3
MISO: ──X──X──X──X──X──X──X──X──X─────────
4
CS:   ──┘                                   └─

I2C：两线制，带 ACK 确认：

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SCL: ─┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌┐  ┌─
2
SDA:   X──X──X──X──X──X──X──X──X──X──X──X──
3
     Start  A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 R/W ACK

全方位对比#

维度	UART	SPI	I2C
信号线数	2 (TX,RX)	3+MISO (≥4)	2 (SDA,SCL)
最大速率	~5 Mbps	~50 MHz+	100k/400k/1M/3.4M
拓扑	点对点	多从机（CS 选择）	多主多从（地址）
全双工	是	是	否（半双工）
硬件复杂度	低	低（无协议开销）	中（地址/ACK）
距离	长（RS232→15m）	短（PCB 级别）	中（< 1m 板间）
流控	软件 XON/XOFF	无（靠 CS 管理）	内置 ACK/NACK

I2C 的坑与实战#

使能 I2C 的上拉电阻#

这是 I2C 最高频的硬件错误。I2C 使用开漏输出，必须外部上拉：

$R_{pull-up(min)} = \frac{V_{DD} - V_{OL(max)}}{I_{OL}}$

$R_{pull-up(max)} = \frac{t_r}{0.8473 \times C_{bus}}$

对于 3.3V、400kHz、总线电容 100pF 的典型场景，上拉电阻约为 2.2kΩ。

总线死锁自救#

I2C 从机有时会”卡住”——把 SDA 拉低不放。软件恢复方法：

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void i2c_recover(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
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    GPIO_InitTypeDef gpio = {0};
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    gpio.Pin = SDA_PIN | SCL_PIN;
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    gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
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    gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
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    HAL_I2C_DeInit(hi2c);
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    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &gpio);
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    // 发送最多 9 个 SCL 脉冲，直到 SDA 被释放
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    for (int i = 0; i < 9; i++) {
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        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET);
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        delay_us(5);
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        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, SCL_PIN, GPIO_PIN_SET);
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        delay_us(5);
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        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, SDA_PIN)) break;
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    }
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    // 发送 STOP 条件
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    // ... 然后重新初始化 I2C 外设
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}

SPI 模式配置对照#

SPI 有 4 种模式，由 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）决定——这是初学 SPI 时最容易搞混的配置：

模式	CPOL	CPHA	空闲时钟	采样沿
0	0	0	低	上升沿
1	0	1	低	下降沿
2	1	0	高	下降沿
3	1	1	高	上升沿

90% 的设备用模式 0 或模式 3。如果通信不上，第一个检查的就是 SPI 模式是否匹配。

选型决策树#

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需要多设备（>2）共享总线？
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├── 是 → 需要高速（>1Mbps）？
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│        ├── 是 → SPI（每设备一个 CS 引脚）
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│        └── 否 → I2C（2 线搞定）
5
└── 否 → 距离 > PCB？
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         ├── 是 → UART（RS485可达1km）
7
         └── 否 → SPI（最简单、最快）