4.2 串行通信接口：UART、SPI与I2C

4.2 串行通信接口：UART、SPI与I2C

本节摘要：芯片与芯片之间对话靠串行通信。UART 用两根线完成异步点对点通信，SPI 用四根线跑出高速同步传输，I2C 用两根线挂起一串低速设备。本节讲清三种总线的帧结构、时序要点与选型逻辑，重点拆解 UART 波特率误差的算法——它既是初学者最常撞的坑，也是理解"时钟精度如何影响通信"的最佳教具。

为什么并行总线输给了串行

老一辈芯片间通信流行并行：八根数据线一次传一个字节。但线多了排线成本高、时序对齐难、抗干扰差，速率一上去各线到达时间不一致（偏斜）就成了灾难。串行通信反其道而行：一根线一位一位传，线少、偏斜问题轻、速率靠提高时钟弥补。如今芯片间通信的天下基本是串行三种总线的：UART 求简单，SPI 求速度，I2C 求省引脚。三种总线怎么选，先看它们各自怎么工作。

UART：最朴素的异步对话

UART（通用异步收发器）异步的含义是通信双方没有共享时钟线，各自用自己的时钟按约定速率采样。约定就是波特率——每秒传多少位，常用 9600、115200。帧结构极简：空闲时线为高；起始位拉低宣告"一帧开始"；随后 5 到 9 个数据位（低位先行）；可选校验位；停止位拉高收尾，线回到空闲。接收方在起始位的下降沿处启动自己的采样计时，在每个位的中央采样——中央采样留出了半个位的时钟容差，这正是异步通信能工作的根本机制。

图 4-1：UART 帧结构与采样点示意

波特率误差怎么算。假设时钟 72MHz、目标波特率 115200：分频值等于 72000000 除以 16 再除以 115200，约等于 39.06——寄存器只能装整数 39，实际波特率变成 72000000 除以 16 再除以 39，约 115384，误差约 0.16%，安全。换时钟 36MHz 算同档波特率可能出现 3% 以上误差——接近或越过 2.5% 的总容限（收发双方各摊一半），通信就会间歇出错。2.3 节"串口乱码"案例的根因，用这里的公式一算便知。波特率计算是串口配置唯一需要动笔的地方，务必亲手算一遍而不是抄例程。

SPI：追求速度的同步总线

SPI（串行外设接口）是同步总线：主机额外提供一根时钟线（SCLK），数据在时钟边沿被双方同时采样，没有波特率误差问题，速率轻松上到几十 MHz。标准接线四根：SCLK 时钟、MOSI 主出从入、MISO 主入从出、CS 片选（每从机一根，低电平选中）。主机模式下单向节奏完全由主机掌控，简单粗暴、吞吐高，Flash 芯片、屏幕、高速 ADC 都爱用它。

SPI 的细节坑在"模式"上：时钟极性（空闲时是高是低）与时钟相位（第一个还是第二个边沿采样）组合出四种模式，外设芯片用哪种，数据手册写死。模式配错的现象很典型：数据整体移位或按位取反——能收到东西但内容不对。排查口诀：先查模式，再查片选极性，最后查字节序。

I2C：两根线挂一串设备

I2C（集成电路互连总线）用两根线（SDA 数据、SCL 时钟）挂起一串从设备，每个从机有 7 位地址，主机靠"先广播地址再通信"的方式点名。它有两个天生绝活：多从机省引脚——挂八个传感器也只占两根线；应答机制——每字节后接收方拉低 SDA 一拍表示"收到了"，主机可感知设备在不在。代价是速率低（标准 100kHz、快速 400kHz）、时序复杂（起始条件、停止条件、地址帧、应答位）、需要上拉电阻（开漏输出配外部上拉，正是 4.1 节的知识）。

配置实战：把串口跑起来

以 STM32 串口 1 为例的完整配置步骤，每一步对应一个硬件机制：

/* UART 配置五步：时钟、引脚复用、波特率、帧格式、使能 */
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;      /* 串口时钟 */
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;        /* 引脚端口时钟 */
GPIOA->CRH = 0x444444B4;                   /* PA9 复用推挽（发送）PA10 浮空输入（接收） */
USART1->BRR = 72000000 / 16 / 115200;      /* 波特率分频：算准这一步 */
USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;  /* 使能收发 */
while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));      /* 等发送数据寄存器空 */
USART1->DR = 'H';                          /* 发出一个字符 */
while (!(USART1->SR & USART_SR_TC));       /* 等真正发完 */
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I2C 的读取传感器流程值得用伪代码过一遍，理解"地址点名"的节奏：起始条件（SDA 在 SCL 高时拉低）→ 发 7 位地址加读写位 → 等从机应答（第 9 拍 SDA 被拉低）→ 发寄存器地址 → 重新起始 → 再发地址改读方向 → 连续读字节、每字节回一个应答 → 停止条件（SDA 在 SCL 高时拉高）。整套时序 HAL 库已封装，但懂时序的人看逻辑分析仪抓的波形，能一眼指出问题出在哪一拍——这是库函数用户与工程师的分界线。

通信排错的通用三板斧

串行通信是新手故障最密集的领域，三板斧能解决八成问题。第一斧，物理层：确认接线（TX 接 RX 交叉铁律）、共地（两板之间必须连 GND，只连信号线不共地是最隐蔽的错）、电平匹配（3.3V 与 5V 设备直连要看双方耐压）。第二斧，参数层：波特率、数据位、停止位、校验位四件套两端一致——一头 8N1 一头 9N1 的"能收到但全是乱码"是经典病。第三斧，协议层：参数全对还不通，抓波形（逻辑分析仪或示波器）看有没有信号、信号电平对不对、帧间隔是否合理。三板斧的顺序就是依赖链顺序：物理不通别调参数，参数不对别查协议。这套路数与 2.5 节的最小系统排查一脉相承，都是"沿依赖链逐级验证"。

为什么波特率偏爱 9600 与 115200

9600、19200、115200 这串"怪数字"其实是历史遗产：早期电传终端的机械速度折算出 9600 这个基准，后续档位按整数倍往下排，115200 即 9600 的十二倍。工程上真正要关心的不是数字本身，而是分频误差——4.2 开头的波特率公式里，分频值常除不尽，余数累积成位宽偏差。经验阈值是总误差控制在正负百分之二以内（异步采样容差约百分之五，还要给两端各留余量）。所以低速档（9600）几乎总能配准，高速档（115200）在时钟频率不凑巧的芯片上反而可能超差——串口"高速档乱码、低速档正常"的怪病，病根就在这。换晶振或换波特率档位，是最省钱的修法。

本节要点回顾

• 串行取代并行：线少、偏斜轻、靠时钟换速率；三种总线各占一个生态位。
• UART 中央采样：起始位对表、位中央取样，异步通信的容差上限约百分之五，波特率误差必算。
• SPI 靠时钟说话：同步高速无误差问题，四种模式配错则数据移位或取反。
• I2C 靠地址点名：两线挂多机加每字节应答，开漏加外接上拉是它的物理基础。
• 体系位置：本节解决了"芯片间对话"，下一节解决"时间刻度"——定时器是通信波特率与时序控制共同的幕后功臣。