Инструкции

Шины I2C, SPI и UART: чем отличаются и что выбрать

13 мин чтения·Август 2026

Выводов у микроконтроллера мало, а датчиков хочется много. Шины решают именно эту задачу: по двум-четырём проводам можно поговорить с десятком устройств. Три шины покрывают почти всю любительскую электронику — I2C, SPI и UART. Разбираем, чем они отличаются, какие выводы занимают и что делать, когда датчик не отвечает.

Сравнение

	I2C	SPI	UART
Проводов (кроме питания)	2	4 и по одному на устройство	2
Устройств на шине	112 адресов	сколько хватит выводов	одно
Скорость	100–400 кГц	десятки МГц	обычно до 115 200 бод
Обмен	по очереди	одновременно в обе стороны	одновременно в обе стороны
Синхронизация	тактовый провод	тактовый провод	по скорости, заранее
Нужны резисторы	да, подтяжки	нет	нет

Практическое правило: I2C — когда устройств много, а скорость не важна. SPI — когда нужна скорость. UART — когда устройство одно и оно «говорит» само.

I2C: два провода на всех

I2C использует всего две линии: SDA для данных и SCL для тактов. Все устройства висят на них параллельно, а различаются адресом — числом от 0x08 до 0x77, зашитым производителем.

#include <Wire.h>

const uint8_t sensorAddress = 0x76;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();                      // на ESP32 можно указать выводы: Wire.begin(21, 22)

  Wire.beginTransmission(sensorAddress);
  Wire.write(0xD0);                  // адрес регистра внутри датчика
  Wire.endTransmission();

  Wire.requestFrom(sensorAddress, (uint8_t) 1);
  if (Wire.available()) {
    Serial.println(Wire.read(), HEX);
  }
}

void loop() {
}

Схема обмена почти всегда одинакова: открыть передачу на адрес, написать номер регистра, закрыть передачу, запросить нужное число байтов, прочитать.

Выводы I2C

Плата	SDA	SCL
Arduino UNO, Nano	A4	A5
Arduino Mega 2560	20	21
Классический ESP32 (по умолчанию в Arduino)	GPIO 21	GPIO 22

ℹ️

У ESP32 аппаратных выводов I2C нет вообще: контроллер маршрутизируется через коммутационную матрицу на любые свободные пины. Пара 21 и 22 — это значение по умолчанию ядра Arduino, а не свойство чипа. Задать свои можно прямо в begin(): Wire.begin(18, 19). Какие выводы свободны — в статье Пины ESP32.

Подтягивающие резисторы

Это то, на чём чаще всего спотыкаются. Линии I2C устроены так, что устройства умеют только «прижимать» их к земле, а поднимать обратно к питанию должны резисторы — обычно 4,7 кОм на каждую линию.

Без них шина не работает вовсе. Хорошая новость: почти на всех готовых модулях с AliExpress эти резисторы уже стоят. Плохая: если повесить на шину пять таких модулей, пять пар резисторов окажутся включены параллельно, суммарное сопротивление упадёт до килоома, и шина начнёт сбоить. При большом числе устройств лишние подтяжки выпаивают, оставляя одну пару.

Сканер адресов

Первое, что стоит запустить при любой проблеме с I2C, — сканер. Он перебирает все адреса и печатает те, что ответили:

#include <Wire.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  Serial.println("Сканирую шину I2C…");

  uint8_t found = 0;
  for (uint8_t address = 1; address < 127; address++) {
    Wire.beginTransmission(address);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.print("Найдено устройство: 0x");
      if (address < 16) Serial.print("0");
      Serial.println(address, HEX);
      found++;
    }
  }

  if (found == 0) {
    Serial.println("Ничего не найдено — проверьте провода и подтяжки");
  }
}

void loop() {
}

Если сканер молчит — проблема в проводах, питании или подтяжках, и лезть в код датчика бессмысленно. Если адрес нашёлся, но не тот, что в документации, — почти наверняка дело в семибитной адресации, см. ниже.

⚠️

Библиотека Wire работает с семибитными адресами, а в даташитах датчиков часто приводят восьмибитный вариант — тот же адрес, сдвинутый влево на один бит, и обычно два числа: для чтения и для записи. Если в документации 0xEC и 0xED, а сканер нашёл 0x76 — это одно и то же устройство. Делите на два.

SPI: быстро, но проводов больше

SPI использует четыре линии: MOSI (от контроллера к устройству), MISO (обратно), SCK (такты) и CS — выбор устройства. Первые три общие для всех, а CS нужен свой на каждое: контроллер прижимает его к земле, обращаясь к конкретному чипу.

#include <SPI.h>

const uint8_t chipSelectPin = 5;

void setup() {
  pinMode(chipSelectPin, OUTPUT);
  digitalWrite(chipSelectPin, HIGH);   // не выбрано
  SPI.begin();
}

uint8_t readRegister(uint8_t address) {
  SPI.beginTransaction(SPISettings(1000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
  digitalWrite(chipSelectPin, LOW);

  SPI.transfer(address | 0x80);        // старший бит — признак чтения у многих чипов
  uint8_t value = SPI.transfer(0x00);  // отправляем пустышку, получаем ответ

  digitalWrite(chipSelectPin, HIGH);
  SPI.endTransaction();
  return value;
}

void loop() {
}

SPISettings задаёт три параметра: скорость в герцах, порядок битов и режим. Режимы SPI_MODE0…SPI_MODE3 отличаются полярностью и фазой тактового сигнала — нужный указан в даташите устройства. Если данные приходят как мусор, а провода точно верные, первым делом пробуют сменить режим.

Выводы SPI

Плата	MOSI	MISO	SCK	CS по умолчанию
Arduino UNO, Nano	11	12	13	10
Arduino Mega 2560	51	50	52	53
Классический ESP32, шина VSPI	GPIO 23	GPIO 19	GPIO 18	GPIO 5
Классический ESP32, шина HSPI	GPIO 13	GPIO 12	GPIO 14	GPIO 15

У классического ESP32 две свободные шины SPI, и их выводы, как и у I2C, переназначаются:

SPI.begin(18, 19, 23, 5);   // SCK, MISO, MOSI, CS

Вывод CS библиотека не трогает — им управляют вручную через digitalWrite(). Именно поэтому в примере выше он поднимается и опускается явно.

UART: один на один

UART отличается от первых двух принципиально: у него нет тактового провода и нет адресов. Два устройства просто договариваются о скорости заранее и шлют байты навстречу друг другу по линиям TX и RX, перекрёстно — передача одного идёт на приём другого.

Из-за отсутствия адресации на одной паре проводов живёт ровно одно устройство. Зато подключение предельно простое, и так работает большинство GPS-модулей, Bluetooth-модулей и датчиков качества воздуха.

У классического ESP32 свободны Serial1 и Serial2, выводы задаются в begin():

Serial2.begin(9600, SERIAL_8N1, 16, 17);   // RX на GPIO 16, TX на GPIO 17

Подробный разбор — в отдельной статье про Serial-порт.

Как выбрать

Берите I2C, если устройств несколько, а данных мало: датчики температуры, давления, освещённости, часы реального времени, небольшие OLED-дисплеи, расширители портов. Два провода на всё — главный аргумент.

Берите SPI, если данных много: цветные дисплеи, карты памяти, радиомодули, быстрые АЦП. Разница в скорости не косметическая: обновление TFT-дисплея по I2C займёт секунды, по SPI — десятки миллисекунд.

UART достаётся без выбора — если модуль умеет только его, вопрос закрыт.

Комбинировать шины можно свободно: дисплей по SPI, датчики по I2C и GPS по UART одновременно — обычная ситуация, они друг другу не мешают.

Частые проблемы

Сканер I2C ничего не находит. Проверьте питание модуля (3,3 В или 5 В — смотрите документацию), не перепутаны ли SDA и SCL, и есть ли подтяжки. На ESP32 убедитесь, что выбранные выводы вообще свободны.

Адрес не совпадает с даташитом. Семь бит против восьми, см. врезку выше.

Устройство работало одно, перестало в паре. Совпали адреса. У многих модулей есть перемычка или площадка для смены адреса — обычно она меняет младший бит.

SPI отдаёт мусор. Неверный режим SPI_MODE, слишком высокая скорость или длинные провода. Начните с 1 МГц и SPI_MODE0, потом ускоряйтесь.

Всё работает на макетке и сбоит в корпусе. Длина линий. I2C рассчитан на сантиметры, а не метры: на длинных проводах растёт ёмкость, фронты заваливаются. Для расстояний берите UART с преобразователем в RS-485.

Смешались уровни 3,3 и 5 вольт. ESP32 работает от 3,3 В, и подача пяти вольт на его вывод может повредить чип. Пятивольтовые модули подключают через преобразователь уровней.

Что дальше

Какие выводы ESP32 вообще свободны — Пины ESP32.
Обмен по UART подробно — Serial-порт.
Установка библиотек для датчиков — Библиотеки Arduino IDE.

← Все статьи