I2C / UART / SPI / CAN 통신 프로토콜 비교

I2C, UART, SPI, CAN 통신 프로토콜 비교

임베디드 시스템에서는 다양한 주변 장치와 통신하기 위해 여러 가지 통신 프로토콜이 사용됩니다. 그중 가장 일반적인 프로토콜은 I2C, UART, SPI, CAN입니다. 아래는 이 프로토콜들의 특징과 차이점을 정리한 비교표입니다.

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1. 통신 프로토콜 개요

프로토콜	유형	속도	사용되는 배선 수	통신 방식	주된 용도
I2C (Inter-Integrated Circuit)	직렬, 멀티마스터	최대 3.4 Mbps	2 (SDA, SCL)	동기식	저속 센서, EEPROM, RTC
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)	직렬, 포인트투포인트	최대 1 Mbps	2 (TX, RX)	비동기식	디버깅, 저속 주변 장치
SPI (Serial Peripheral Interface)	직렬, 마스터-슬레이브	최대 50 Mbps	3+ (MOSI, MISO, SCK, SS)	동기식	고속 데이터 전송, 플래시 메모리, 디스플레이
CAN (Controller Area Network)	직렬, 멀티마스터	1 Mbps (클래식) / 5 Mbps (CAN FD)	2 (CAN_H, CAN_L)	동기식	자동차, 산업 자동화

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2. I2C, UART, SPI, CAN 상세 비교

📌 I2C (Inter-Integrated Circuit)

• 유형: 멀티마스터, 멀티슬레이브 프로토콜
• 배선: 2개 (SDA – 데이터, SCL – 클럭)
• 속도: 일반 모드 (100 kbps), 고속 모드 (400 kbps), 초고속 모드 (3.4 Mbps)
• 데이터 전송: 7비트 또는 10비트 주소 지정을 사용하여 여러 슬레이브 장치와 통신
• 장점:
  • 두 개의 배선만으로 여러 장치 연결 가능
  • 간단한 구현 가능
• 단점:
  • SPI보다 속도가 느림
  • 클럭 스트레칭(clock stretching)으로 인해 속도 지연 발생 가능
• 사용 사례: EEPROM, RTC(실시간 클럭), 온도 센서 등 저속 주변 장치

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📌 UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

• 유형: 비동기식, 풀 듀플렉스 통신
• 배선: 2개 (TX – 송신, RX – 수신)
• 속도: 일반적으로 9600 ~ 115200 bps, 최대 1 Mbps
• 데이터 전송: 시작/정지 비트와 설정 가능한 보드레이트 사용
• 장점:
  • 하드웨어 및 소프트웨어 구현이 간단함
  • I2C 및 SPI보다 장거리 통신이 가능
• 단점:
  • 포인트투포인트 통신만 지원 (멀티슬레이브 불가능)
  • SPI보다 속도가 낮음
• 사용 사례: 디버깅, GPS 모듈, 블루투스 및 Wi-Fi 모듈 등

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📌 SPI (Serial Peripheral Interface)

• 유형: 동기식, 풀 듀플렉스 통신
• 배선: 최소 3개 (MOSI – 마스터 출력 슬레이브 입력, MISO – 마스터 입력 슬레이브 출력, SCK – 클럭) + SS(슬레이브 선택)
• 속도: 최대 50 Mbps 이상 가능
• 데이터 전송: 시프트 레지스터(Shift Register)를 사용하여 동시에 송수신
• 장점:
  • UART 및 I2C보다 매우 빠름
  • 간단한 하드웨어 구조 (I2C처럼 주소 지정 필요 없음)
• 단점:
  • 각 슬레이브마다 추가적인 SS(칩 선택) 라인 필요
  • 장거리 통신에는 부적합
• 사용 사례: 디스플레이 모듈, SD 카드, 플래시 메모리, 고속 ADC 등

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📌 CAN (Controller Area Network)

• 유형: 멀티마스터, 우선순위 기반 중재 프로토콜
• 배선: 2개 (CAN_H, CAN_L)를 사용하는 차동 신호(differential signaling)
• 속도: 1 Mbps (클래식 CAN), 5 Mbps (CAN FD)
• 데이터 전송: 메시지 우선순위 및 오류 감지 기능 지원
• 장점:
  • 노이즈 환경에 강함 (차량 및 산업 자동화에 최적)
  • 마스터-슬레이브 개념이 없음, 메시지 ID를 통해 직접 통신
  • 강력한 오류 감지 및 복구 기능 제공
• 단점:
  • 별도의 하드웨어 컨트롤러가 필요함
  • SPI보다 데이터 전송 속도가 느림
• 사용 사례: 자동차 ECU, 산업 자동화, 의료 기기 등

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3. 어떤 프로토콜을 선택해야 할까?

사용 시나리오	추천 프로토콜
여러 개의 저속 센서를 연결해야 하는 경우	I2C
디버깅 및 간단한 직렬 통신이 필요한 경우	UART
MCU와 주변 장치 간 고속 데이터 전송이 필요한 경우	SPI
노이즈가 많은 환경에서 신뢰성 높은 통신이 필요한 경우 (자동차/산업용)	CAN

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4. 결론

각 통신 프로토콜은 특정한 목적을 위해 설계되었습니다.

• I2C → 저속 장치를 여러 개 연결하는 경우 적합
• UART → 간단한 디버깅 및 장거리 통신에 유용
• SPI → 고속 데이터 전송이 필요한 경우 적합
• CAN → 노이즈가 많은 환경에서 신뢰성 있는 통신을 제공

각 프로토콜의 차이를 이해하고, 시스템 요구사항에 맞는 적절한 프로토콜을 선택하는 것이 중요합니다. 🚀

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Comparison of Communication Protocols: I2C, UART, SPI, CAN

In embedded systems, various communication protocols are used to interface different peripherals. The four most common protocols are I2C, UART, SPI, and CAN. Below is a detailed comparison of these protocols based on their characteristics and applications.

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1. Overview of Communication Protocols

Protocol	Type	Speed	Number of Wires	Communication Type	Best For
I2C (Inter-Integrated Circuit)	Serial, Multi-Master	Up to 3.4 Mbps	2 (SDA, SCL)	Synchronous	Low-speed sensors, EEPROM, RTC
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)	Serial, Point-to-Point	Up to 1 Mbps	2 (TX, RX)	Asynchronous	Debugging, Low-speed peripherals
SPI (Serial Peripheral Interface)	Serial, Master-Slave	Up to 50 Mbps	3+ (MOSI, MISO, SCK, SS)	Synchronous	High-speed data transfer, Flash memory, Display
CAN (Controller Area Network)	Serial, Multi-Master	1 Mbps (Classical) / 5 Mbps (CAN FD)	2 (CAN_H, CAN_L)	Synchronous	Automotive, Industrial automation

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2. Detailed Comparison of I2C, UART, SPI, and CAN

📌 I2C (Inter-Integrated Circuit)

• Type: Multi-master, multi-slave protocol.
• Wires: Requires only 2 wires (SDA – Data, SCL – Clock).
• Speed: Standard mode (100 kbps), Fast mode (400 kbps), High-Speed mode (3.4 Mbps).
• Data Transmission: Uses 7-bit or 10-bit addressing for multiple slave devices.
• Advantages:
  • Simple two-wire implementation.
  • Supports multiple devices with unique addresses.
• Disadvantages:
  • Slower compared to SPI.
  • Susceptible to clock stretching delays by slower slave devices.
• Common Use Cases: EEPROM, RTC (Real-Time Clock), temperature sensors, and low-speed peripherals.

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📌 UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

• Type: Asynchronous, full-duplex communication.
• Wires: Requires 2 wires (TX – Transmit, RX – Receive).
• Speed: Typically 9600 to 115200 bps, but can go up to 1 Mbps.
• Data Transmission: Uses Start/Stop bits and a configurable baud rate.
• Advantages:
  • Simple hardware and software implementation.
  • Works over longer distances than I2C and SPI.
• Disadvantages:
  • Only supports point-to-point communication (no multiple slaves).
  • Speed is limited compared to SPI.
• Common Use Cases: Debugging, GPS modules, wireless modules (e.g., Bluetooth, Wi-Fi).

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📌 SPI (Serial Peripheral Interface)

• Type: Synchronous, full-duplex communication.
• Wires: At least 3 lines (MOSI – Master Out Slave In, MISO – Master In Slave Out, SCK – Clock) + Slave Select (SS) for each device.
• Speed: Can reach 50 Mbps or higher.
• Data Transmission: Uses shift registers to transmit and receive simultaneously.
• Advantages:
  • Very fast compared to UART and I2C.
  • Simple hardware (no need for addressing like I2C).
• Disadvantages:
  • Requires an additional SS (Chip Select) line for each slave device.
  • Not ideal for long-distance communication.
• Common Use Cases: Display modules, SD cards, flash memory, high-speed ADCs.

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📌 CAN (Controller Area Network)

• Type: Multi-master, priority-based arbitration protocol.
• Wires: Uses 2 wires (CAN_H, CAN_L) with differential signaling.
• Speed: 1 Mbps (Classical CAN), 5 Mbps (CAN FD).
• Data Transmission: Supports message prioritization and error detection.
• Advantages:
  • Very robust, designed for noisy environments.
  • No master-slave restriction; devices communicate using message IDs.
  • High fault tolerance with error handling.
• Disadvantages:
  • More complex protocol requiring dedicated hardware controllers.
  • Slower than SPI in data transfer rate.
• Common Use Cases: Automotive ECUs, industrial automation, medical devices.

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3. Protocol Selection Guide

Scenario	Recommended Protocol
Need to connect multiple low-speed sensors?	I2C
Debugging and simple serial communication?	UART
High-speed data transfer between MCU and peripheral?	SPI
Reliable communication in a noisy environment (automotive/industrial)?	CAN

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4. Conclusion

Each communication protocol serves a unique purpose in embedded systems:

• I2C is ideal for multiple low-speed devices with simple wiring.
• UART is best for debugging and long-distance point-to-point communication.
• SPI offers high-speed data transfer for peripherals like memory and displays.
• CAN is highly reliable for applications requiring real-time communication in noisy environments.

By understanding their differences, you can choose the best protocol based on your embedded system requirements. 🚀

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