マイコンの通信機能 UARTとI2C 、SPIの違い：Q&Aで学ぶマイコン講座（115）（2/3 ページ）

[STマイクロエレクトロニクス，EDN Japan]

仕組み、方式の違い

（1）UART

　クロック線の無い非同期通信ですが、外部にクロックを出していないだけで、内部ではクロックに同期して動作します。送信側と受信側で、動作周波数を合わせることで、同期をとりますが、送信側と受信側のクロックは位相が違いますので、周波数精度が悪い場合は、データが欠落したり、同じビットを二重取り込みしたりすることがあります。そのため、UARTの転送内部クロックの周波数精度には注意が必要です。また、ボーレート、データ長、パリティ、ストップビットなども事前に一致させる必要があります（図2（a）参照）

（2）I²C

　SDA（データ線）をSCL（クロック線）に同期させた同期式のシリアル通信です。スレーブ側のアドレスを指定しますので、複数デバイスを同一バスに接続可能です。プルアップ抵抗でバス線をHighに保ち、各デバイスがLowに引き下げて通信するオープンドレイン方式です。スタートコンディション、アドレス、R/Wビット、ACK/NACK、ストップコンディションというプロトコルで通信します（図2（b）参照）

（3）SPI

　この中では最も多くのバスラインを使います。最低でも次の4本を使用します。

　SCLK（クロック）、MOSI（マスター出力／スレーブ入力）、MISO（マスター入力／スレーブ出力）、SS（スレーブセレクト、スレーブごとに1本、これはLowの時だけ通信が有効、CSと呼ぶ場合もある）

　データ線（MOSI、MISO）は、SCLKに同期して通信します。マスターがクロック（SCLK）を出し、そのタイミングでビットをシフトイン／アウトするシンプルな構造です。クロック極性と位相（CPOL/CPHA）は合わせる必要があります。（図2（c）参照）

図2：通信フォーマット［クリックで拡大］
STM32C562xxリファレンスマニュアルから抜粋

使い方の違い

（1）UART

　高速な1対1通信なので、マイコン間やマイコンと周辺装置間のポイントツーポイント通信に使われます。マイコンを搭載するシステム開発時に、UARTをUSBシリアル変換器経由でPCに接続して、printfを利用したログ出力やコマンド入力としてよく使われます。

　ハードウェアフロー制御（受信できない状態になるとRTSを不許可状態にし、相手側の送信を止める）を使う場合は、RTS（Request To Send）とCTS（Clear To Send）の2本の信号線が追加になります（図3（a）参照）

図3：信号線の構成［クリックで拡大］

（2）I²C

　マスター側は通常のマイコンです。前述しましたが、複数デバイスを同一バスに接続可能です。その際、スレーブから転送終了のトリガーのかけ方には、割り込みを使ってマスターに知らせる方法と、マスター側が転送完了フラグをポーリングする方法の2通りあります。割り込みを使う方法の時には、各スレーブに割り込み出力、マスターに割り込み入力を設けなければなりません。割り込みを使う場合の方が、レスポンスが速いですが、ハードウェアが重くなります。

　スレーブ側にセンサー、RTC、EEPROM、IOエキスパンダーなどを接続し、「レジスタアドレス」に対して読み書きする感覚で使う事ができます。比較的配線が少なくて済み、プリント基板内で複数のICを制御するときに向いています（図3（b）参照）

（3）SPI

　通常マスターはマイコンが担当します。スレーブ側のデバイスはSS（またはCS）で選択します。スレーブデバイスとして複数のデバイスを接続し、SS（またはCS）を使って通信相手を選択できます。その場合、各スレーブデバイスにSS（またはCS）を設けて、SS（またはCS）SをLowにしたデバイスだけがバスに応答できるようになります。レジスタやコマンドをシフトレジスタに流し込むイメージで使います（図3（c）参照）