本文是视频《单片机之间怎么说话？UART、SPI、I2C 三大串口一次讲透（含示波器实测）》（作者：Inside Embedded | Polezero）的精读笔记，配套中配视频观看效果更佳。

单片机之间怎么说话？UART、SPI、I2C 三大串口一次讲透（含示波器实测）

一块单片机想告诉电脑“我有一个字母 A”，背后到底发生了什么？Inside Embedded（Polezero）这期视频从最原始的 8 个比特讲起，把 UART 的接线、帧结构、波特率与采样时机一路推到示波器实测。哪怕你刚学会点灯，也能跟着把串口通信真正想明白。

[[IMG:hero]] 图：视频精读笔记 · 单片机之间怎么说话？

全景：一条主线看懂

全片是一条问题链：字母 A 在机器眼里只是 ASCII 表里的 0x41，共 8 个比特，用最少的线怎么送出去？——由此引出串行通信与 UART；UART 没有时钟线，接收方凭什么知道每一位何时读？——由此引出帧结构和波特率约定；最后用 STM32 加示波器实测闭环，再抛出“带时钟线”的 SPI 作对照，为后续内容铺垫。

用一根线的取舍：从并行到串行，选定 UART

把 8 位从 A 设备送到 B 设备，最直觉的方案是并行通信：每位一根线，8 根线同时各输出 0 或 1，一次发完；代价是单片机引脚占用和 PCB 走线随位数不断增长。视频的解法是退一步：只用一根线，让 01000001 一位一位排队发出——这就是串行通信。串口是个大家族，UART、I2C、SPI、CAN 都属此类，本节只讲 UART，因为它最基础也最常用。UART 全称 Universal Asynchronous Receiver Transmitter（通用异步收发器）。接线规则有两条：A 的 TX 必须接 B 的 RX，交叉互联；双方必须共地，否则电压基准不一致，高低电平无从谈起。

没有时钟线怎么对齐：一帧 10 位的约定

UART 的悬念在“异步”二字——线上没有时钟。发送方要发新数据时把 TX 从高电平拉低，这个下降沿就是起始位，也是全帧的计时起点；随后是 8 位数据（本例用最常见的 8N1 配置：8 数据位、无校验、1 停止位），注意 UART 通常先发最低位 LSB，线上位序与书写顺序相反；最后拉回高电平作停止位，若没有后续数据，线路保持空闲高电平。算下来一个字符要发 10 位——用两成开销换掉一整根时钟线，这笔账很划算。

下降沿只解决“何时开始”，“每位多长”还得靠约定：波特率 9600 即每秒 9600 位，一位约 104 微秒，收发双方提前算好同一个值，就能各自数拍子。采样位置也有讲究：起始位后 104 微秒正落在位边界上，信号可能正在跳变，读数不可靠；工程上取位的正中间——起始位后 156 微秒（1.5 倍位时间）采第 0 位，此后每隔 104 微秒采下一位，最后确认停止位为高，一帧才算完整接收。

示波器实测：纸面波形与真机严丝合缝

电脑没有 UART 引脚，只有 USB，所以 STM32 与电脑之间要接一个 USB 转 UART 模块作桥梁。接好后串口终端里 A 源源不断刷屏，通信是通了；但“能通”和“懂了”之间还差一台示波器。实测波形与手绘完全吻合：空闲高电平、起始位跳低、数据位逐位对上、停止位回高；时间轴每格 200 微秒，一位约占半格，与 104 微秒的计算值一致。理论闭环后，视频转向 SPI：它面向传感器、存储器等外设，结构比 UART 更复杂。第一大特点是同步通信——主机产生时钟发给从机，从机照着时钟就知道何时读数；第二大特点是全双工，收发可同时进行。UART 用“约定”换掉时钟线，SPI 用时钟线消灭歧义，这两种思路的碰撞正是下一部分的看点。

SPI 落地：模式要匹配，点名靠 CS，省线用菊花链

从最简单的场景入手：一颗 MCU 直连一个传感器。前文讲过的移位寄存器跟着时钟一步一步移动，落到实际引脚上，数据的读取与发送都以时钟边沿为基准。模式 1/2/3 原理完全相同，差别只有两处——时钟空闲时是高电平还是低电平、数据在第一个还是第二个边沿读取。因此作者的实操结论很硬：用 SPI 传感器前必须查数据手册确认模式，主从设置不一致，就收不到正确数据。

单个传感器好办，真实系统往往要挂三个。好消息是 SCK、MOSI、MISO 三条线都能共用；真正负责“点名”的是 CS 片选：主机想跟 S2 说话，就把 CS2 拉低、CS1 与 CS3 保持高电平，换人即换线。思路简单，代价落在 PCB 上——每个传感器都要单独布一根 CS 线，设备越多走线越乱。菊花链由此登场：主机 MOSI 接第一个设备的输入，各设备输出依次串入下一个的输入，末端接回 MISO，所有设备连成一条长长的移位寄存器。作者的例子很直观：三个 8 位设备串起来，整体等效一个 24 位移位寄存器，数据随时钟逐级后移。收益是共用时钟和片选、省掉每设备一根 CS；代价有二——链越长每次要移的数据越多，且链上设备必须全都支持菊花链。

I2C 的硬件底座：两根线、开漏与线与

转入 I2C，作者先戳痛点：很多人觉得它难，就一直复制粘贴示例代码——读数正常时看不出问题，可一旦通信出错，排查起来就很难。他的判断是“搞懂结构，I2C 其实不难”。

结构上 I2C 与 SPI 同属同步串行，却只留两根线：SCL 时钟线定节奏，SDA 数据线传数据（电源和公共地当然仍要另接）。SDA 只有一根，MCU 与从机必须轮流使用，因此是收发交替的半双工，不像 SPI 靠 MOSI/MISO 同时收发。多从机场景下，多个输出并到一根线上会打架——一边输出高、一边输出低就是冲突。I2C 的答案是开漏结构：引脚只能主动拉低到地，松手后靠上拉电阻回到高电平，总线空闲时两线皆为高。由此推出全片重点的线与特性：只要有一个设备拉低，整条线就是低。SCL 与 SDA 都要上拉，且上拉电压必须与主机、从机都兼容（阻值对波形的影响留到流程讲完再展开）。

一次完整的 I2C 对话：从起始信号到 NACK

通信的边界由两个特殊动作划定：SCL 为高时 SDA 由高变低是起始信号，由低变高是停止信号，数据传输只发生在这两者之间。每一位的规矩是“时钟低电平时准备好下一位，高电平期间保持不变”；一个字节从最高位 MSB 发到最低位 LSB。第 9 个时钟留给应答：接收方拉低数据线即 ACK，保持高电平即 NACK——NACK 既可能是地址无人应答，也可能是读操作已经收完，后者并非出错。

寻址取代了片选线。以地址 0x48（二进制 1001000）的传感器为例，起始后的头 8 位是 7 位地址加 1 位读写标志，1 为读、0 为写，方向由主机决定：0x48 拼上写 0 得 0x90，拼上读 1 得 0x91。写流程：MCU 发起始、送 0x90，从机 ACK 后收到数据 0xA5，再回一个 ACK，停止信号收尾。读流程镜像对称：送 0x91，从机 ACK 后发出 0x3C——此时接收方是 MCU，应答责任反过来落在它头上；只收这一个字节，就回 NACK 表示“收够了”。对照 SPI 用 CS 线点名，I2C 用一根共享数据线上的地址字节完成同样的选人，两套协议的设计取舍正在于此；这套流程也是随后实测真实温度传感器的铺垫。

真机 TMP102：把前面每条规则一次用满

理论落到真实温度传感器 TMP102（地址引脚接地即 0x48）上。最易混淆的是两级地址：0x48 只选中芯片，进入通信后的首字节才选中芯片内部寄存器。任务是设高温报警上限 85℃，对应写入 0x5500，大端方式先发 0x55 再发 0x00。写序列完整走一遍：0x90 → 选中 T_HIGH 寄存器的 0x03 → 0x55 → 0x00，每个字节后确认 ACK，最后停止。

读温度引出关键技巧：先发 0x90 指定温度寄存器 0x00，但不发停止、直接再起始——这就是重复起始，让总线占用不中断地切换读写方向；随后发 0x91，传感器回 0x19、0x00 两字节，MCU 对首字节 ACK（还要）、末字节 NACK（不要了）后停止。换算形成验证闭环：0x1900 取高 12 位得 400，分辨率每步 0.0625℃，恰好 25℃，与设定吻合——位宽与换算一律以数据手册为准。

最后一个进阶机制是时钟拉伸：SCL 本由主机产生，但慢从机可把时钟线拉低“喊暂停”，靠的正是开漏线与特性；并非所有器件都支持，用前须查手册。至于上拉电阻到底怎么选，视频结尾用一整段示波器实测给出了完整答案，见下一节。

实测收尾：2.2 kΩ 的上拉电阻到底合不合格

论点：上拉电阻选型不能拍脑袋，要用规格书的硬指标来验收。

第一把尺子是上升时间，它的测量定义写得非常死：信号从上拉电压的 30% 爬升到 70% 所经历的时间。之所以规定这么细，是因为 I2C 总线靠电容充电把电平“拉”上来，电阻阻值直接决定充电快慢——阻值太大，信号爬坡太慢，通信就不稳。

第二把尺子是协议红线：I2C 快速模式明确规定，上升时间不得超过 300 纳秒。这是写进规格的硬要求，不是经验估算。

例证落在示波器实测上：上拉电阻取 2.2 kΩ 时，上升时间约 186 纳秒。186 < 300，结论干净利落——这组参数满足快速模式限制，合格。

但“合格”只是半个答案：电阻不是越小越好

容易踩的坑在这里：既然 186 纳秒轻松达标，选个更小的电阻让边沿更陡、余量更足，行不行？视频明确提醒——不是电阻越小越好。

阻值变小后，引脚拉低电平时要承受的电流会成比例增大，一旦超过引脚的承受上限，硬件就可能损坏。所以选型必须再核查两件事：引脚（拉负载端）能承受多大电流、实际使用的电压是多少。同一个 2.2 kΩ，在 3.3 V 和 5 V 系统下灌进去的电流完全不是一个量级。

这条论证链收束成一个工程常识：电阻被双向夹住——上限由上升时间决定，下限由电流承受能力决定，可用值只能在区间里找。这也是整期 I2C 内容的落点：它是嵌入式系统里非常常用的通信方式，“能跑通”和“选对参数”之间，差的正是这几步核算。

收尾清单：上拉电阻选型四查

• 上升时间的口径：从上拉电压 30% 升到 70% 的时间，2.2 kΩ 实测约 186 纳秒。
• 合格线：快速模式要求 ≤ 300 纳秒，186 纳秒达标。
• 关键提醒：电阻不是越小越好，阻值过小会突破引脚承受电流。
• 选型三查：上升时间、引脚灌电流能力、实际工作电压，缺一不可。

迁移与启发

• 达标不等于最优，过线后先问代价：2.2 kΩ 合格之后立刻追问「更小行不行」，答案是否。工程里「参数能跑通」只是及格线，下一步永远是核算代价。
• 任何选择都有上下两道红线：电阻的上限是信号太慢，下限是电流烧毁引脚。选型永远在区间里找答案，只有单边约束的方案迟早出事。
• 用可测口径替代「感觉」：30%→70% 的定义让「边沿快不快」变成可验收的数字。调参同理——先定测量口径，再谈好坏。

一句话升华

真正的专业，不是找到一个能用的值，而是在上限与下限的夹缝里，算出那个既跑得快、又烧不毁自己的平衡点。