📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 8周: 📱 從小晶片到手機：嵌入式、Android 與 IoT × AI
IoT × MCU × Android × TinyML 完整實戰
73／150單元： UART / I2C / SPI 🔌 三大硬體通訊介面
________________________________________
🎯 單元導讀
所有的 IoT、MCU、AI Edge 裝置，都會碰到同一個現實問題：
❓ 要怎麼把 MCU 和感測器連起來？
❓ BLE / LoRa / Wi-Fi 模組怎麼跟主控溝通？
❓ 顯示器、馬達、記憶體都用什麼線？
❓ 哪種介面比較快？哪種省線？哪種最穩？
這時，嵌入式世界的「三大王者」登場：
⭐ UART —— 最古老但最穩
⭐ I2C —— 兩條線搞定所有從屬
⭐ SPI —— 超高速、超簡潔、超多應用
幾乎 95% 的 MCU 裝置，
你要做任何 IoT × TinyML × V2X × 感測器的系統，
全部都離不開這三種通訊方式。
________________________________________
🧠 一、三大通訊介面一句話總覽
• ⭐ UART
「點對點」的古典通訊介面，架構最簡單、穩定可靠，但速度較慢。
• ⭐ I2C
只用兩條線即可串接整條總線，非常適合多感測器共用架構。
• ⭐ SPI
速度最快、穩定度最高、抗干擾佳，是 IoT、顯示器與 Flash 記憶體的標配介面。
________________________________________
🧠 二、UART：最經典的點對點序列通訊
📌 傳輸線：TX、RX（+GND）
📌 速度：9,600～1M bps（可到更高）
📌 全雙工（full-duplex）
📌 無時鐘線 → 用 Baud rate 對齊
UART 的精神很簡單：
⭐ A 的 TX → B 的 RX
⭐ B 的 TX → A 的 RX
就是一條直線，把兩個裝置綁在一起。
________________________________________
UART 的用途
✔ LoRa / NB-IoT / BLE 模組
✔ GPS/GNSS
✔ 智慧電錶、電子鎖
✔ RS-232 / RS-485 衍生工控系統
UART 的優點：
✔ 結構超簡單
✔ 幾乎不會錯
✔ 只要兩條線就能跑
缺點：
❌ 無法多裝置
❌ 同步靠 Baud rate 容易偏
❌ 換長線易干擾
________________________________________
🧠 三、I2C：兩条線統治整個感測器世界
📌 線材：SDA（資料）＋ SCL（時鐘）
📌 速度：100k / 400k / 1M / 3.4M bps
📌 多主（Master）/ 多從（Slave）
📌 每個從屬有地址（7-bit / 10-bit）
I2C 的靈魂：
⭐ 「一條總線 + 地址」
⭐ 大量感測器接成一串
⭐ MCU 依「地址」跟每個感測器溝通
像這樣：
MCU
|—— SDA ——> Sensor A (0x40)
|—— SDA ——> Sensor B (0x76)
|—— SDA ——> IMU (0x68)
|—— SDA ——> EEPROM (0x50)
典型 IoT 裝置都會有 4–8 顆 I2C 感測器。
________________________________________
I2C 的用途
✔ 加速度計（IMU）
✔ 溫濕度/氣壓感測器
✔ OLED 顯示器
✔ EEPROM/RTC
✔ AI Tiny 模組
優點：
✔ 只要兩條線
✔ 可以接好多裝置
✔ 多主裝置也可以
缺點：
❌ 速度比 SPI 慢
❌ 線太長會受干擾
❌ bus 上某個裝置掛掉，整條 bus 都掛
________________________________________
🧠 四、SPI：業界最快、最穩的硬體通訊
📌 線材：MOSI / MISO / SCK / CS
📌 速度：常見 10–40MHz（更高也能）
📌 全雙工，高速低延遲
📌 最適合大量資料傳輸
SPI 的精神：
⭐ 以時鐘高速推資料
⭐ 每個從屬用 CS 分開
MCU
|— SCK —> 全裝置共用
|— MOSI —> 全裝置共用
|— MISO —> 全裝置共用
|— CS —> Flash
|— CS —> Display
|— CS —> Sensor
________________________________________
SPI 的用途
✔ 高速 ADC
✔ 顯示器（LCD / OLED）
✔ 外接 Flash / PSRAM
✔ 影像感測器
✔ TinyML 推論神經網路加速器
優點：
✔ 超高速
✔ 干擾小
✔ 不像 I2C 一顆掛全部掛
缺點：
❌ 線比 I2C 多
❌ 不能像 I2C 那樣多從屬（CS 會變多）
________________________________________
🧠 五、三大介面的工程比較（重點結論）
• 傳輸速度
• UART：最慢
• I2C：中等
• SPI：最快
• 線材需求
• UART：2 線
• I2C：2 線
• SPI：4 線以上（含 SCK、MOSI、MISO、CS）
• 同步方式
• UART：Baud rate（非同步）
• I2C：Clock（SCL）
• SPI：Clock（SCK）
• 多裝置支援
• UART：不支援（點對點）
• I2C：支援度最高（位址制）
• SPI：支援，但需多條 CS 線
• 延遲表現
• UART：高
• I2C：中
• SPI：最低
• 抗干擾能力
• UART：中
• I2C：低
• SPI：高
• 常見應用場合
• UART：通訊模組、除錯介面
• I2C：各式感測器
• SPI：顯示器、高速資料傳輸裝置
一句話：
⭐ UART 穩、I2C 省線、SPI 最快。
________________________________________
🧠 六、ASCII 圖：三大介面的直覺對比
速度：SPI >>> I2C > UART
線材複雜度：
UART: TX RX
I2C : SDA SCL
SPI : MOSI MISO SCK CS (最複雜)
多裝置能力：
UART: ✖
I2C : ✔✔✔
SPI : ✔（但要多 CS）
________________________________________
🧪 七、模擬題
**1️⃣ 專業題：
I2C 為何能支援多個從屬裝置？**
📦 答案：
因為每個從屬都有唯一地址，MCU 可透過地址選擇對象。
________________________________________
**2️⃣ 應用題：
顯示器（LCD/OLED）一般使用哪個介面？**
A. UART
B. I2C
C. SPI（✔）
D. GPIO Bit-banging
解析： 顯示器（LCD／OLED）需要持續且高速地傳輸大量畫面資料，對延遲與穩定性要求高，SPI 具備高頻時脈、低延遲與良好抗干擾能力，因此成為顯示模組的主流介面。
________________________________________
**3️⃣ 情境題：
某 IoT 裝置需要同時讀 IMU、氣壓計、環境光感測器，最適合的介面為？**
A. UART
B. I2C（✔）
C. SPI
D. Wi-Fi
解析： IMU、氣壓計與環境光感測器皆屬低至中速資料量裝置，且需同時掛載多顆模組，I2C 透過位址制讓多裝置共用兩條線，硬體簡化且功耗低，最符合 IoT 架構需求。
________________________________________
🛠 八、實務演練題（工程級）
1️⃣ 用 STM32 或 ESP32 驅動 I2C 感測器（BMP280 / MPU-6050）
2️⃣ 使用 SPI 控制 OLED 顯示器（SSD1306 / ST7735）
3️⃣ 撰寫 UART AT 指令控制 LoRa/BLE 模組
4️⃣ 比較 1 kb 資料在 UART / I2C / SPI 的延遲差異
5️⃣ 用邏輯分析儀抓三種介面的時序波形
________________________________________
⭐ 九、小結：三大硬體介面是 IoT 的基本語言
✔ UART：最穩的點對點
✔ I2C：兩線統治全感測器總線
✔ SPI：速度爆快、最適合高速資料傳輸
✔ 你要做 MCU × IoT × TinyML，不可能不會這三種
✔ 所有通訊協定最後都要靠這些介面「落地」
一句話總結：
⭐ UART / I2C / SPI 是 IoT 世代的三大硬體語言，也是 MCU 世界的最底層通訊基石。
