作者：尹强 | 分类：嵌入式开发 | 日期：2026-09-04

学STM32这段时间，USART、I2C、SPI这三个协议反复出现。刚开始总觉得它们长得像，都是串行通信，都是几根线传数据。后来对着时序图一个一个看，才发现差别挺大的。这篇文章把三者的帧格式和时序特点做个对比整理，方便以后复习。

一、三者总览对比

对比项	USART	I2C	SPI
线数	2线（TX/RX）	2线（SCL/SDA）	4线（SCLK/MOSI/MISO/CS）
通信方式	全双工	半双工	全双工
同步/异步	异步（无时钟线）	同步（有SCL时钟线）	同步（有SCLK时钟线）
主从关系	无主从，点对点	一主多从（地址区分）	一主多从（CS片选区分）
速度	较低（常用115200bps）	中（标准100kHz/快速400kHz）	高（可达几十MHz）
典型用途	串口打印、调试输出	传感器读取（SHT30等）	Flash存储、LCD屏幕

二、USART帧格式

USART是异步通信，没有时钟线，双方靠事先约定好的波特率来对齐数据。一帧数据的结构如下：

| 起始位 |   数据位 (8bit)   | 校验位(可选) | 停止位 |
|  1bit  | D0 D1 D2 ... D7   |  0或1或无    | 1~2bit |

关键点：

• 起始位：1个低电平，表示数据帧开始。空闲时线路是高电平，检测到下降沿就知道数据来了。
• 数据位：8位（常见），低位先发（LSB first）。
• 校验位：可选奇校验或偶校验，也可以不要。实际项目中多数不校验。
• 停止位：1个或2个高电平，表示帧结束。

USART最重要的参数是波特率。发送和接收必须用一样的波特率，否则数据全乱。比如发送方用115200，接收方用9600，那收到的全是乱码。常见的波特率有9600、38400、115200等。

三、I2C帧格式

I2C是同步通信，SCL提供时钟，SDA传输数据。通信流程是：

| 起始条件 | 设备地址(7bit)+R/W | ACK | 数据字节 | ACK | ... | 停止条件 |

详细步骤拆解：

1. 起始条件：SCL高电平时，SDA从高变低
2. 发送地址：7位地址 + 1位读写控制（0写，1读），共8位
3. ACK应答：从机拉低SDA表示收到
4. 数据传输：每发8位数据，接收方回1个ACK
5. 停止条件：SCL高电平时，SDA从低变高

I2C的关键特点：

• 地址机制：一条总线可以挂多个设备，靠7位地址区分，比如SHT30地址是0x44。
• 应答机制：每传一个字节都有ACK/NACK确认，保证可靠性。
• 半双工：SDA线分时复用，同一时间只能发或收。
• 数据高位先发（MSB first），跟USART正好相反。

四、SPI帧格式

SPI比I2C和USART都快，但用的线也最多。4根线分工明确：

• SCLK：时钟线，主机产生
• MOSI：主机输出，从机输入
• MISO：主机输入，从机输出
• CS/SS：片选线，选中哪个从机就拉低对应的CS

SPI的4种工作模式由CPOL和CPHA两个参数决定：

模式	CPOL	CPHA	空闲时钟	采样边沿
Mode 0	0	0	低电平	上升沿采样
Mode 1	0	1	低电平	下降沿采样
Mode 2	1	0	高电平	下降沿采样
Mode 3	1	1	高电平	上升沿采样

最常用的是Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）：空闲时SCLK为低电平，上升沿采样数据。很多SPI接口的Flash和LCD屏幕默认就是Mode 0。

SPI通信过程很简单：CS拉低选中从机 → SCLK给出时钟脉冲 → MOSI和MISO同时在时钟驱动下交换数据 → CS拉高结束通信。SPI没有地址的概念，靠CS片选来选择设备。

五、实际选型建议

场景	推荐协议	理由
串口调试输出	USART	简单直接，接根线就能用
温湿度/气压传感器	I2C	线少、速度够用、支持多设备
SPI Flash/SD卡	SPI	速度高，适合大数据量传输
TFT LCD屏幕	SPI	刷屏数据量大，需要高速
多传感器同总线	I2C	地址区分，2线挂多设备

六、总结

三个协议没有谁好谁坏，各有各的场景：

• USART最简单，适合点对点通信和调试输出
• I2C线最少、有地址机制，适合挂多个低速传感器
• SPI速度最快，适合大数据量场景，代价是线多

学的时候一定要对着时序图看代码，光看书上的文字描述根本理解不了。比如I2C的起始条件，文字说"SCL高电平时SDA从高变低"，你得在代码里看到 SCLK_Set() → SDA_Clr() 才能真正理解这个动作到底是什么意思。