UART、I2C和SPI是嵌入式世界里最常見的三種通信協議。在閱讀教程，或者購買模塊時常常看見“這個模塊是用I2C協議驅動的”, “兩個設備之間數據走SPI”諸如此類的描述，很多新手覺得是什么高階的知識就一知半解得略過去略了。今天小編簡略地為大家介紹一下這三種協議，以及它們各自的優缺點。

什么是通信協議

白話點說，通信協議就是通信時候雙方約定的規則。打個類比，就像你跟另外一個人交流，你們之間需要一種交流的約定，就是語言。要么都說中文，要么都說英文。通信協議就類似于硬件之間交流的語言。

串行通信和并行通信

在硬件通信里，一般有兩種通信方式：串行通信(Serial Communication)和并行通信(Parallel Communication)。這兩種通信方式的區別從字面理解也很簡單：串行就是數據一個接一個的發送；并行就是所有數據都同時發出。

但由于并行通信在線路成本和同步困難方面的問題使其在實際應用上面遠不如串口通信來得廣泛。本文介紹的UART, I2C和SPI三種通信協議都屬于串口通信。

單工，半雙工，雙工

根據串行數據的傳輸方向，我們可以將通信分為單工，半雙工，雙工。

• 單工：

  是指數據傳輸僅能沿一個方向，不能實現反向傳輸。

• 半雙工：

  是指數據傳輸可以沿兩個方向，但不能同時進行傳輸。

• 全雙工：

  是指數據可以同時進行雙向傳輸。

同步通信和異步通信

根據串行數據傳輸方式，我們又可以分為：同步通信和異步通信。

同步通信是指發送端和接收端必須使用同一時鐘，是一種連續傳送數據的通信方式。由于發送和接收的雙方都采用同一時鐘，這樣接收方就可以通過時鐘信號來確定每個信息位。

異步通信不需要雙方使用同一時鐘，并且它是一種不連續的傳輸通信方式，一次通信只能傳輸一個字符數據（字符幀）。而字符幀之間的間隙可以是任意的。但由于不知道對方什么時候發送數據，所以發送方要在數據的開始后結束都要加一些輔助的信息，比如開始要有起始位，結束要有結束位等。

同步通信的通信效率比異步通信高，可以傳輸較大的數據量但對于時鐘同步要求比較高，而異步通信不需要同步時鐘，通信實現簡單，設備相對簡單，但是傳輸速率不高，某些通訊中還需要雙方約定數據的傳輸速率，以便更好地同步。

了解了上面的幾個基本概念，我們再來按個看一看UART、I2C和SPI三種協議。

UART協議

UART的全稱叫 Universal Asynchronous Reception and Transmission通用異步收發。從名字我們就可以知道，UART是異步串行通信的。利用UART協議傳輸數據時，需要兩個數據引腳，一個用于傳輸數據的TX，另一個用于接收的RX。

Arduino板上默認的RX和TX引腳分別是Pin0和Pin1。UART硬件層和軟件層的功能都是Arduino集成的，一般我們不需要從底層操作數據。一個UART口(一組RX和TX)只能連接一個UART設備進行通信，我們需要這樣就接線：

注意，一個設備的TX接的是另一設備的RX，反之RX接TX，最后需要將兩個設備共地，共地是讓它們的參考電壓一致。

下面，我們用兩塊Arduino實際實踐一下。如圖連接兩個Arduino：

我們在Arduino A里燒錄以下代碼：

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
    char s[]="I am Arduino A";//每隔1s發送一次字符數組s
    Serial.print(s);
    delay(1000);
}

再在Arduino B里燒錄以下代碼：

String a=""; //定義字符串，接收數據


void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
   while(Serial.available())//當發現緩存中有數據時，將數據送至字符數組a中
   {
     a+=char(Serial.read());
     delay(3);
   }
   if (a.length() > 0){
      Serial.println(a)
      a = ""
   }
}

這樣就A就通過UART向B發送了“I am Arduino A”消息，B接收到以后輸出。當然你可以修改A的代碼實現雙向數據傳輸，這里我們就點到即止了。

UART是最常見的通信協議之一，它可以實現全雙工傳輸，但它的傳輸速度比較慢，而且只能支持一對一的設備。

I2C協議

I2C是Philips公司在1980年代發明的一種協議，全稱是Inter-Integrated Circuit。I2C最常被應用于模塊或者傳感器之間的通信，因為I2C基于二根傳輸線，同步通信的半雙工協議，而且協議也非常簡單可靠。I2C使用兩根傳輸線實現一個主設備與多個從設備，甚至是多個主設備與對應從設備之間的通信。 這兩根通訊線一根為控制時鐘線，稱之為SCL，用于同步設備間的數據傳輸時鐘； 另一根為數據線，稱之為SDA，用于攜帶數據。理論上，一條I2C總線上能支持掛載128臺設備。

Arduino UNO的I2C引腳是A4(SDA), A5(SDL)。Arduino對I2C協議也進行了庫封裝：

https://www.arduino.cc/en/Reference/Wire