SPI、I2C和UART是嵌入式系统和电子设备中广泛使用的三种串行总线协议，它们在通信机制、性能特性和应用场景上存在显著差异。以下从多个维度进行对比分析：
一、基本原理与通信方式
1. SPI（Serial Peripheral Interface）
同步全双工通信：主设备通过时钟信号(SCLK)同步数据传输，MOSI(主发从收)和MISO(主收从发)实现全双工通信。
主从架构：每个从设备需独立的片选信号(SS/CS)，主设备通过拉低SS选择通信对象。
无协议层：数据传输无地址或校验机制，仅依赖硬件时序。
2. I2C（Inter-Integrated Circuit）
同步半双工通信：通过SCL(时钟线)和SDA(数据线)传输数据，支持多主多从架构。
地址寻址：每个从设备有唯一地址(7位或10位)，主设备通过地址帧选择目标。
协议机制：包含起始/停止条件、ACK/NACK确认位及总线仲裁，确保多主设备共存。
3. UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
异步全双工通信：无共享时钟，依赖预定义的波特率同步数据帧。
点对点通信：仅支持两个设备间通信，数据帧包含起始位、数据位、校验位和停止位。
二、硬件结构与信号线
| 特性 | SPI | I2C | UART |
|---|---|---|---|
| 信号线数量 | 4根（SCLK, MOSI, MISO, SS） | 2根（SCL, SDA） | 2根（TX, RX） |
| 时钟信号 | 主设备提供同步时钟（SCLK） | 主设备提供同步时钟（SCL） | 无，依赖波特率 |
| 拓扑结构 | 主从架构，支持多从设备 | 多主多从，总线共享 | 点对点 |
| 传输方向 | 全双工 | 半双工 | 全双工 |
SPI：硬件复杂度随从设备数量增加(需更多SS线)，但无地址冲突问题。
I2C：总线电容限制设备数量(一般≤10个)，需上拉电阻。
UART：仅需简单连接，但扩展性差。
三、传输速率与性能
| 协议 | 典型速率范围 | 速率影响因素 |
|---|---|---|
| SPI | 10–50 MHz（最高达100 Mbps） | 主设备时钟频率、信号线长度及干扰 |
| I2C | 标准模式100 Kbps，高速模式3.4 Mbps | 总线电容、上拉电阻值、协议开销 |
| UART | 110–115200 bps（最高约5 Mbps） | 波特率设置、时钟精度、校验机制 |
SPI：速率最高，适合高速数据流(如存储器、ADC)。
I2C：速率适中，适合控制指令传输(如传感器配置)。
UART：速率最低，但抗干扰强，适合远距离通信(如调试串口)。
四、典型应用场景
1. SPI
高速设备互联：Flash存储器、LCD显示屏、高速ADC/DAC。
实时性要求高：需全双工同步传输的场景(如数字信号处理器)。
2. I2C
多设备控制：连接多个低速外设(如温度传感器、EEPROM)。
板内通信：PCB板上芯片间配置参数传输，节省引脚资源。
3. UART
调试与日志：嵌入式系统调试、Bootloader通信。
远距离传输：通过RS-232/485扩展，连接GPS、GSM模块。
五、协议特性对比
| 特性 | SPI | I2C | UART |
|---|---|---|---|
| 错误检测 | 无内置机制 | ACK/NACK位 | 奇偶校验位 |
| 热插拔支持 | 不支持 | 不支持 | 部分支持 |
| 功耗 | 较高（全双工持续传输） | 较低（半双工间歇传输） | 低（异步无持续时钟） |
| 协议复杂度 | 简单（无地址/ACK） | 复杂（需仲裁/寻址） | 中等（依赖波特率） |
六、总结
SPI：高速、全双工，适合主从设备间密集数据交换，硬件成本较高。
I2C：多设备、中低速控制，节省引脚但协议复杂。
UART：简单可靠，适合点对点异步通信，速率和扩展性受限。
开发者需根据传输速率、设备数量、功耗和硬件资源综合选择协议。例如，传感器网络常用I2C，存储设备偏好SPI，而UART仍是调试和长距离通信的首选。
