SPI, I2C, UART 통신 프로토콜 완벽 비교: 특징, 장단점, 응용 분야

마이크로컨트롤러 개발은 전자 조립 핵심 공정. 시리얼 프로토콜과 통신 인터페이스가 이 작업을 돕습니다. SPI, I2C, UART 시리얼 통신 프로토콜을 심층 탐구합니다. 특징, 장단점, 예제까지 철저히 분석.

1. UART 인터페이스

UART란?

그림 1: 아두이노 UART 프로토콜

UART(Universal Asynchronous Reception and Transmission) = 범용 비동기 송수신. 호스트-보조 기기 간 시리얼 통신 프로토콜. 시리얼 데이터 전송 주목적. 비동기 통신, 양방향 전송 지원.

두 데이터 라인: Tx(송신), Rx(수신). 보통 디지털 핀 0=송신, 핀 1=수신. 컴퓨터-외부 시리얼 장치 동기화 관리 지원.

작동 원리

그림 2: DIY 전자 USB UART 보드

두 기기 간 신호 통신 관리 3가지 모드:

• 심플렉스(Simplex): 단방향 전송
• 하프 듀플렉스(Half Duplex): 양방향이나 비동시
• 풀 듀플렉스(Full Duplex): 양방향 동시 전송

연결 후 송신 UART 데이터 라인 → 수신 UART 데이터 전송. 원리:

1. 송신 UART: 마스터 장치 병렬 데이터 → 직렬 변환 → 수신 UART 전송. 수신 UART: 직렬 → 병렬 변환 → 수신 장치 사용
2. 비동기 통신 → 클록 없음. 시작/정지 비트 생성으로 메시지 시작/끝 표시
3. 두 UART 동일 보드레이트(Baud Rate) 필수. 10% 초과 차이 시 데이터 무용

UART 작동 프로토콜

데이터 송수신

1. 송신 UART: 데이터 버스(예: CPU)에서 데이터 수신
2. 시작 비트, 패리티 비트, 정지 비트 3개 추가 → 데이터 패킷 구성 → TX 핀으로 수신 UART 전송
3. 송신 UART 데이터 소진 시 전송 중단

인터럽트 제어

자동 버퍼 콘텐츠 전송용. 시나리오:

• FIFO 오버플로 에러, 라인 브레이크 에러, 프레임 에러, 패리티 에러 발생 시
• 데이터 수신/송신 중, 수신 타임아웃 시

FIFO 동작

그림 3. 아두이노 UART 인터페이스

스텔라리스(Stellaris) 패밀리 UART 모듈: 수신/송신용 16바이트 FIFO 각 1개. 다양한 깊이(1/8, 1/4, 1/2 등) 구성 가능 → 다른 인터럽트 전달.

송신 FIFO 프로세스: 데이터 입력 후 전송 시작(시간 소요) → 지속 입력 → FIFO 가득 차면 입력 중단(새 데이터 손실 방지) → 비트 단위 전송 → 빈 슬롯 생성.

수신 FIFO 프로세스: 수신 데이터 하드웨어 저장. 수신 FIFO 프로그램 자동 수신/삭제 → 충분한 공간 확보. 트랜시버 FIFO로 CPU 비효율/빈번한 UART 인터럽트 해결. 데이터 손실 경로 사전 차단으로 무손실.

루프백 (Loopback)

내부 루프백으로 디버깅/진단. RX 입력이 송신 데이터 수신.

직렬 적외선 프로토콜 (Serial Infrared Protocol)

UART 내 IrDA SIR 인코더/디코더 모듈. 하프 듀플렉스 직렬 SIR 인터페이스 ↔ 비동기 UART 데이터 스트림 변환. 디코딩 입력, 디지털 코딩 출력 UART 전달.

UART 장점

1. 잘 문서화된 단순 프로토콜, 사용 쉬움
2. 시리얼 클록 라인 불필요
3. 패리티 비트로 에러 체크 가능

UART 단점

1. 데이터 프레임 크기 9비트 제한, 전송 속도 느림
2. 다중 마스터/슬레이브 시스템 불가
3. 보드레이트 10% 이내 강제 (데이터 손실 방지)
4. 기기 간 데이터 전송 속도 일반적으로 느림

마이크로컨트롤러 UART 예제

• UART Seeeduino V4.2
• USB to UART 5V
• Base Shield V2
• USB CP2102 시리얼 컨버터

2. I2C 인터페이스

I2C란?

그림 4: I2C 사용하는 차압 센서

I2C(Inter-Integrated Circuit) = 집적회로 간 통신. UART와 유사하지만 PC-장치 통신용 UART와 달리 센서/모듈 애플리케이션용. 양방향 2선식 동기 시리얼 버스. 공유 버스+어드레스 시스템으로 다중 기기 연결 시 통신 경로 타협 없음. 대가: SPI 대비 상대적 저속. 속도는 외부 노이즈, 와이어 품질, 데이터 속도 의존. 저속 기기(EEPROM, ADC/DAC, MCU) 연결용 2선 인터페이스.

작동 원리

두 라인: SDA(시리얼 데이터 라인), SCL(시리얼 클록 라인). SCL=전송 동기화, SDA=데이터 비트 송수신 라인.

전송 중 마스터 장치 버스 데이터 전송 개시 + 클록 생성 → 전송 장치 오픈. 대상 장치 = 슬레이브. 마스터-슬레이브 간 데이터 전송률 고정 아님. 전송 시점 데이터 전송 방향에 따라 관계 결정. 마스터는 슬레이브 선택 장치에 송신/수신 전 알림 필수. I2C 전원 풀업 저항 연결 필수.

I2C 작동 프로토콜

그림 5: 0.96인치 OLED 128x64 I2C 디스플레이 모듈

데이터 전송 방식

1. 마스터 출력: SDA 하이→로우, SCL 하이→로우 전환으로 전송 신호 전송
2. 마스터: 7비트 또는 10비트 주소 + 읽기/쓰기 비트 각 슬레이브 전송
3. 슬레이브: 주소 비교. 일치 → ACK 비트 반환(SDA 로우). 불일치 → SDA 하이 유지
4. 마스터: 데이터 프레임 송수신(매칭 주소 기준). 전송 완료 후 수신 측 ACK 비트 반환 → 완전 전송 확인
5. 마스터: SCL 하이→SDA 하이 전환으로 통신 종료 알림

클록 동기화

모든 마스터: SCL 라인 자체 클록 신호 생성. I2C 전송 중 클록 하이 기간에만 데이터 유효.

전송 모드

빠른 모드 (Fast Mode)

400kbit/s 송수신. 글리치 억제, 출력 슬로프 제어 기능.

고속 모드 (High-Speed Mode)

3.4Mbit/s 비트레이트. 빠른 모드보다 고속.

I2C 장점

1. 다수 기기 연결해도 핀/신호 수 최소화
2. 멀티 마스터/멀티 슬레이브로 유연성 확보
3. 양방향 2선만으로 다수 기기 연결 간편
4. 폭넓은 적응성, 다중 마스터 지원

I2C 단점

1. 상대적 저속, 풀업 저항 필수(SPI는 푸시풀만 필요). 오픈 드레인 설계로 속도 제한
2. 저항이 공간 차지(PCB 조립에서 중요)
3. 다수 기기 연결 시 사용 복잡

마이크로컨트롤러 I2C 예제

• 라즈베리파이 4채널 16비트 ADC
• I2C 허브 (6포트) - 그로브
• I2C 드라이버/어댑터
• I2C 아두이노

3. SPI 인터페이스

SPI란?

그림 6: 디스플레이 모듈에 유용한 SPI 인터페이스

SPI(Serial Peripheral Interface) = 직렬 주변장치 인터페이스. 마이크로컨트롤러용. 풀 듀플렉스 동작 → 동시 송수신. I2C보다 빠름, 최소 8비트 전송률. 단순 프로토콜로 고속 데이터 레이트 구현 → 디스플레이 모듈, SD 카드 등 속도 중요 앱에 필수. 온도계 등 급격한 정보 변경 앱에도 중요.

작동 원리

그림 7: SD 카드 SPI 활용

두 가지 동작 방식:

• 칩 셀렉트(Chip Select) 라인으로 장치 선택. 각 장치별 고유 칩 셀렉트 라인 필요
• 데이지 체인(Daisy Chaining) 방식

하드웨어 셀렉트 라인 수만큼 장치 연결 가능. 포인트투포인트 통신 시 어드레싱 불필요.

SPI 작동 프로토콜

4개 포트:

1. MOSI (Master Out Slave In)
2. MISO (Master In Slave Out)
3. SCLK (클록 신호)
4. NSS (Slave Enable Signal)

멀티 슬레이브 시스템: 각 슬레이브별 고유 인에이블 신호 필요 → I2C 대비 하드웨어 요구사항 복잡. SPI: 2개 시프트 레지스터 → 단일 마스터(CPU 등)→주변장치 동기식 직렬 데이터 전송.

SPI 장점

1. I2C와 달리 복잡한 슬레이브 어드레싱 시스템 없음 → 사용 간편
2. 다룬 시리얼 인터페이스 중 최고 속도 (UART, I2C보다 빠름)
3. 시작/정지 비트 없음(UART와 달리) → 중단 없는 연속 데이터 전송
4. 별도 MISO/MOSI 라인으로 동시 송수신

SPI 단점

1. 핀 포트 다수 점유 → 연결 가능 기기 수 제한
2. 플로우 제어 미규정, I2C와 달리 ACK 메커니즘 없음
3. 4선 필요(UART와 달리 에러 체크 메커니즘 없음)
4. 싱글 마스터만 지원

마이크로컨트롤러 SPI 예제

• SPI Seeeduino V4.2
• SPI 드라이버/어댑터 - SPI 장치 쉽게 드라이빙

UART, I2C, SPI 비교

최고의 통신 주변장치는? UART vs SPI vs I2C

세 프로토콜 중 절대적 우위 없음. 각자 핵심 장단점 보유. 프로젝트에 맞는 최적 프로토콜 선택. 예: 속도 우선 → SPI. 복잡한 어레이 없이 다수 기기 연결 → I2C.

결론

UART, I2C, SPI 통신 인터페이스와 전송률 핵심 인사이트 모두 공개. 통신 프로토콜 관련 문의 언제든 환영. 즉시 도움 드리겠습니다.