So sánh I2C vs SPI vs UART: Khi nào dùng giao thức nào?

1. Giới thiệu

Ba loạt bài trước đã đi sâu từng giao thức: I2C (2 dây dùng chung, địa chỉ 7-bit), SPI (4+ dây, chọn thiết bị bằng chân CS, tốc độ cao) và UART (2 dây TX/RX, không địa chỉ, chỉ điểm-điểm).

Bài này gộp lại thành bảng so sánh trực tiếp để chọn nhanh giao thức phù hợp, đồng thời chứng minh bằng thực nghiệm: ESP32 chạy được cả 3 giao thức song song trên cùng 1 board, mỗi giao thức phục vụ một thiết bị khác nhau.

2. Linh kiện cần có

3. Sơ đồ kết nối

UART không cần dây thêm — chính cổng USB nối ESP32 với máy tính đã là 1 kênh UART (UART0), dùng ngay để xem log qua Serial Monitor.

4. Code ví dụ #1 — Chạy đồng thời cả 3 giao thức

Sketch khởi tạo cả BMP280 (I2C) và TFT ST7735 (SPI) trong setup(), đồng thời in log qua Serial (UART) mỗi 2 giây, vừa đọc nhiệt độ I2C vừa cập nhật hiển thị SPI — chứng minh 3 giao thức hoạt động độc lập, không xung đột dù dùng chung 1 vi điều khiển.

/*
  So sánh I2C vs SPI vs UART — Ví dụ #1: 3 giao thức trên cùng 1 board
  Board: ESP32 DevKit V4
    - I2C : BMP280 tại 0x76        SDA=GPIO21 SCL=GPIO22
    - SPI : TFT ST7735 128x128     SCK=GPIO18 MOSI=GPIO23 CS=GPIO14 DC=GPIO27 RST=GPIO26
    - UART: cổng USB-Serial có sẵn trên ESP32 DevKit (UART0, GPIO1/GPIO3) -
            không cần thêm phần cứng, dùng ngay Serial.begin() bên dưới.

  Mục tiêu bài học: cùng 1 board có thể chạy đồng thời cả 3 kiểu bus,
  minh hoạ khác biệt số dây cần dùng và cách địa chỉ hoá thiết bị.
*/

#include <Wire.h>
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_ST7735.h>

#define I2C_SDA 21
#define I2C_SCL 22
#define BMP280_ADDR 0x76

#define TFT_CS 14
#define TFT_DC 27
#define TFT_RST 26

Adafruit_BMP280 bmp;
Adafruit_ST7735 tft = Adafruit_ST7735(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);

void setup() {
  // UART: Serial USB co san, khong can day rieng - day la vi du UART don gian nhat
  Serial.begin(115200);
  delay(300);
  Serial.println(F("=== So sanh I2C / SPI / UART tren 1 board ==="));
  Serial.println(F("[UART] Serial USB dang chay 115200 baud (day nay chinh la UART0)"));

  // I2C: 2 day dung chung, dia chi hoa bang so 7-bit
  Wire.begin(I2C_SDA, I2C_SCL);
  bool bmpOk = bmp.begin(BMP280_ADDR);
  Serial.printf("[I2C] BMP280 tai 0x76: %s (SDA=%d SCL=%d)\n", bmpOk ? "OK" : "KHONG THAY", I2C_SDA, I2C_SCL);

  // SPI: nhieu day, moi thiet bi co CS rieng thay vi dia chi
  tft.initR(INITR_144GREENTAB);
  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
  tft.setRotation(1);
  tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);
  tft.setTextSize(1);
  tft.setCursor(4, 4);
  tft.println("I2C+SPI+UART");
  Serial.printf("[SPI] TFT ST7735: da khoi tao (SCK=18 MOSI=23 CS=%d DC=%d RST=%d)\n", TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);
}

void loop() {
  static unsigned long lastLoop = 0;
  if (millis() - lastLoop >= 2000) {
    lastLoop = millis();

    float tempC = bmp.readTemperature();
    Serial.printf("[UART->PC] Bao cao: [I2C] temp=%.1fC | [SPI] man hinh dang hien thi\n", tempC);

    tft.fillRect(4, 20, 110, 20, ST77XX_BLACK);
    tft.setCursor(4, 20);
    tft.printf("I2C T=%.1fC", tempC);
  }
}

5. Code ví dụ #2 — Đo tốc độ thực tế I2C vs SPI

Biến thể thứ hai đo bằng micros() thời gian thực tế của 1 giao dịch đọc I2C (BMP280) so với 1 lệnh ghi SPI (vẽ ô màu lên TFT), in kết quả qua UART để người học tự so sánh bằng số liệu thật thay vì chỉ đọc datasheet.

/*
  So sánh I2C vs SPI vs UART — Ví dụ #2: đo tốc độ truyền thực tế của I2C và SPI
  Board: ESP32 DevKit V4 (cùng sơ đồ như ví dụ #1)
  In ra UART (Serial Monitor) thời gian (micro giây) mỗi lần đọc I2C và ghi SPI
  để người học tự so sánh, thay vì chỉ đọc số liệu datasheet.
*/

#include <Wire.h>
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_ST7735.h>

#define I2C_SDA 21
#define I2C_SCL 22
#define BMP280_ADDR 0x76

#define TFT_CS 14
#define TFT_DC 27
#define TFT_RST 26

Adafruit_BMP280 bmp;
Adafruit_ST7735 tft = Adafruit_ST7735(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(300);
  Serial.println(F("=== Do toc do I2C (100kHz) vs SPI ==="));

  Wire.begin(I2C_SDA, I2C_SCL);
  Wire.setClock(100000); // I2C Standard-mode 100kHz
  bmp.begin(BMP280_ADDR);

  tft.initR(INITR_144GREENTAB);
  tft.setSPISpeed(4000000); // SPI 4MHz - nhanh hon I2C rat nhieu
  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
}

void loop() {
  unsigned long t0 = micros();
  float tempC = bmp.readTemperature(); // 1 giao dich I2C hoan chinh
  unsigned long i2cDurationUs = micros() - t0;

  unsigned long t1 = micros();
  tft.fillRect(0, 0, 20, 20, ST77XX_RED); // 1 lenh ghi SPI len man hinh
  unsigned long spiDurationUs = micros() - t1;

  Serial.printf("[I2C] doc BMP280: %lu us | [SPI] ve o mau: %lu us | T=%.1fC\n",
                i2cDurationUs, spiDurationUs, tempC);

  delay(1500);
}

6. Bảng so sánh tổng hợp — khi nào dùng giao thức nào

7. Lỗi thường gặp

8. Tổng kết

Không có giao thức nào "tốt nhất" tuyệt đối — mỗi giao thức tối ưu cho một nhu cầu khác nhau: I2C tiết kiệm chân khi có nhiều thiết bị nhỏ, SPI mạnh về tốc độ khi cần băng thông cao, UART đơn giản nhất khi chỉ cần nối đúng 2 thiết bị.

Trong thực tế, hầu hết dự án IoT dùng kết hợp cả 3: I2C cho cảm biến, SPI cho màn hình/lưu trữ, UART cho module GPS/SIM hoặc debug đúng như ví dụ ở bài này.