嵌入式开发中常用外设接口（UART、I2C、SPI）详解

在嵌入式开发领域，UART、I2C、SPI等接口技术被广泛使用，它们为微控制器与外部设备之间的通信提供了高效、可靠的途径。本文将详细介绍这三种常用的外设接口。

UART：通用异步收发传输器

UART，即通用异步收发传输器，是一种物理接口形式，主要应用于嵌入式系统中的数据传输。其工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，这种基于异步形式的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输的发送端和接收端，而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置。

UART接口实现串行通信仅需两根线：一根TXD线用于发送数据，另一根RXD线则负责接收。为确保顺畅通信，发送与接收设备的串行通信配置必须保持完全一致，这些配置包括波特率、单位字的位数、奇偶校验、起始位数与结束位、流量控制等。其中，波特率表示串口通信时的速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，单位为每秒比特数bit/s(bps)。常见的波特率值有4800、9600、14400、38400、115200等。

I2C：二线制串行总线

I2C总线是一种同步、双向、半双工的两线式串行接口总线，由串行时钟线SCL和串行数据线SDA组成。其中，SCL线负责产生同步时钟脉冲，SDA线负责在设备间传输串行数据。I2C总线最早由Philips半导体公司于20世纪80年代研发面市，其设计初衷是为微处理器/微控制器系统与电视机外围芯片之间的连接提供简单的方法。

I2C总线是共享的总线系统，支持多个I2C设备同时连接。连接在I2C总线上的设备既可以用作主设备，也可以用作从设备。主设备负责控制通信，包括数据的初始化传输和同步时钟脉冲的产生;而从设备则处于被动地位，等待主设备的命令并作出相应响应以接收数据。值得注意的是，主设备和从设备在I2C总线上都可以灵活地切换角色，但同步时钟信号的生成始终由主设备独立完成。

I2C总线以其线数较少的特点在技术上呈现出优势，但使用也相对复杂，因为它需要双向IO的支持，并通过上拉电阻进行通信，抗干扰能力相对较弱。因此，I2C通常用于同一板卡上的芯片间通信，而较少用于远距离通信。

SPI：串行外设接口

SPI总线是一种同步、双向、全双工的4线式串行接口总线，由Motorola公司提出。它能够实现数据的快速传输，同时支持多个设备连接在同一总线上，通过片选信号来选择与哪个设备进行通信。

SPI总线共有4条信号线，分别是：主设备出、从设备入(MOSI);主设备入、从设备出(MISO);串行时钟(SCLK);从设备选择(SS)。其中，MOSI负责由主设备向从设备传输数据，MISO负责由从设备向主设备传输数据，SCLK负责传输时钟信号以同步数据的交换，而SS则用于选择特定的从设备，低电平表示有效选择。

在SPI通信过程中，主设备负责生成时钟信号并控制数据传输，从设备则根据主设备的时钟信号进行数据传输。数据的传输通常以字节或字为单位进行，主设备在时钟信号的上升沿或下降沿发送数据，从设备则在相应的时钟边沿接收数据。同时，从设备也可以在另一个时钟边沿向主设备发送数据，实现全双工通信。

相较于I2C，SPI的实现更为简单。此外，在速度方面，虽然I2C稍逊于SPI，但其连线数量却比标准的SPI还要少。不过，SPI的总线长度和传输速度等性能参数也因其广泛的应用场景而备受关注。

总结

UART、I2C和SPI作为嵌入式开发中常用的外设接口，各自具有独特的特点和适用场景。UART以其异步通信方式和简单的线路连接，在需要异步数据传输的场景中占据优势;I2C以其较少的线路数量和总线仲裁功能，在芯片间通信中表现出色;而SPI则以其高速、全双工和多设备支持的特点，在需要高速数据传输和多设备连接的场景中广受欢迎。开发者在选择使用这些接口时，应根据具体的应用需求和设备特性进行综合考虑。