SPI总线（Serial Peripheral Interface）和I2C总线（Inter-Integrated Circuit）是两种常见的串行通信协议，用于微控制器与外部设备（如传感器、存储器等）之间的数据传输。虽然它们都属于串行通信，总线的工作原理和适用场景有一些显著的区别。下面是它们的区别、优缺点以及应用领域的比较。
1. 通信结构
SPI总线：
- 主从结构：SPI是一种全双工的同步串行通信协议，通常由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成。主设备控制通信的时序，数据在两根线（MOSI、MISO）之间交换。
- 通信线路：SPI通常需要四根线路：
- SCK（时钟线）：由主设备提供时钟信号，控制数据传输的节奏。
- MOSI（Master Out Slave In，主设备输出，从设备输入）：数据由主设备发送到从设备。
- MISO（Master In Slave Out，主设备输入，从设备输出）：数据由从设备发送到主设备。
- SS（Slave Select，选择信号）：主设备通过该信号选择与哪个从设备通信。
I2C总线：
- 主从结构：I2C也是一种主从结构的同步串行通信协议，支持多个主设备和多个从设备。数据传输通过两根线进行。
- 通信线路：I2C只需要两根线路：
- SCL（时钟线）：由主设备提供时钟信号，控制数据传输的时序。
- SDA（数据线）：数据由主设备或从设备在此线上进行传输。
2. 数据传输方式
SPI总线：
- 全双工通信：同时可以进行数据的发送和接收，数据传输效率较高。
- 点对点连接：每个从设备都有独立的片选信号（SS），需要一个独立的选择信号与每个从设备进行通信。
I2C总线：
- 半双工通信：数据传输是双向的，但不能同时发送和接收数据，必须先发送再接收。
- 多主多从：可以连接多个主设备和多个从设备，每个从设备通过的地址区分。通信双方通过SDA线传输数据。
3. 速度与带宽
SPI总线：
- 速度较高：SPI的传输速度通常较快，典型的传输速率为几 Mbps（例如10 Mbps至100 Mbps），速度受限于时钟频率和系统的硬件配置。
- 带宽较宽：SPI的带宽相对较大，因为它可以通过多条线路同时进行数据传输。
I2C总线：
- 速度较低：I2C的传输速度通常较低，标准模式为100 kbps，高速模式可以达到400 kbps，某些扩展模式甚至可以达到几 Mbps。
- 带宽较窄：I2C由于是半双工的，带宽相对较小，且需要共享两条线路。
4. 设备数量和扩展性
SPI总线：
- 较少的设备连接：SPI支持多个从设备，但每个从设备都需要一个独立的片选信号（SS），因此在设备数量较多时，所需的线路数量也会增加。
- 扩展性差：尽管可以连接多个从设备，但每增加一个从设备，都需要额外的片选线。
I2C总线：
- 较多的设备连接：I2C可以支持多个主设备和多个从设备，每个从设备通过一个的地址进行区分。
- 扩展性强：通过地址控制，多个设备可以共享同一对数据线（SDA和SCL），大大节省了线路数量。
5. 复杂性与实现
SPI总线：
- 硬件复杂度较高：由于需要多条线路，且每个从设备都需要独立的片选信号，硬件实现会相对复杂。
- 协议简单：协议本身较为简单，没有复杂的应答和时序控制。
I2C总线：
- 硬件简单：只需要两根线进行通信，硬件连接简单，非常适合多设备连接的场合。
- 协议较复杂：需要处理设备地址、确认应答等协议细节，较SPI更复杂。
6. 功耗
SPI总线：
- 功耗较高：由于SPI支持全双工通信，且每个从设备都需要独立的片选信号，功耗相对较高。
I2C总线：
- 功耗较低：I2C通信线路数量较少，且只使用半双工方式，因此功耗相对较低，适合低功耗应用。
7. 应用领域
SPI总线：
- 高速数据传输：适用于需要高速数据传输的应用，如存储器、传感器、显示屏等。
- 常见应用：
- 闪存（Flash Memory）
- 外部传感器（如加速度计、陀螺仪）
- 显示屏（如OLED屏幕）
I2C总线：
- 多设备、低速应用：适用于连接多个设备且不需要高速数据传输的应用，尤其是低功耗和简单的控制系统。
- 常见应用：
- 传感器（如温度传感器、湿度传感器）
- EEPROM存储
- 实时时钟（RTC）
- 低速外设（如键盘、LCD显示）
总结：SPI vs I2C
| 特性 | SPI总线 | I2C总线 |
|---|
| 线路数量 | 4条（SCK, MOSI, MISO, SS） | 2条（SCL, SDA） |
| 速度 | 较高（通常为几Mbps） | 较低（标准100 kbps，高速400 kbps） |
| 数据传输 | 全双工（同时发送和接收） | 半双工（先发送后接收） |
| 设备连接 | 每个从设备需要独立的片选信号 | 多个设备共享地址线 |
| 硬件复杂度 | 较高（需要多个线和片选信号） | 较低（只需要两条线） |
| 扩展性 | 较差（每个从设备需要一个片选信号） | 较好（支持多个设备共享两根线） |
| 功耗 | 较高 | 较低 |
| 应用 | 高速数据传输、存储器、传感器等 | 多设备连接、低速应用、低功耗设备 |
选择建议
- 如果需要高速、全双工的数据传输，并且从设备数量不多，使用SPI总线比较合适。
- 如果需要低功耗、多设备连接，并且对传输速度要求不高，使用I2C总线更为合适。
