IIC与SPI总线技术对比分析

IIC 与 SPI 总线区别详解

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在嵌入式系统开发过程中，总线通信协议起着至关重要的作用。两种最常见的串行通信协议是 I²C（Inter-Integrated Circuit，也称为 IIC） 和 SPI（Serial Peripheral Interface）。这两种协议被广泛应用于微控制器与外围设备之间的通信，如传感器、EEPROM、ADC、DAC、RTC 等。

尽管它们都属于串行通信协议，但它们的架构、通信机制、性能、应用场景均有显著差异。本文将从多个维度详细分析 IIC 和 SPI 协议的特点与区别，帮助工程师根据具体项目需求做出合适的协议选择。

一、IIC 总线概述

1.1 IIC 基本原理

IIC 是由 Philips（现 NXP）公司开发的一种串行总线，用于主从设备之间的低速通信。它采用 双线通信结构：

• SCL（Serial Clock Line）：时钟线
• SDA（Serial Data Line）：数据线

IIC 总线允许多个主设备与多个从设备挂载在同一总线上，支持设备寻址。每个设备拥有唯一的 7 位或 10 位地址。通信过程由主设备主动发起，包括起始信号、地址帧、读写方向控制、应答位等。

1.2 IIC 特点

• 双线通信，节省IO资源
• 支持多主多从结构
• 具备仲裁与冲突检测机制
• 支持热插拔设备

1.3 IIC 常见速率

• 标准模式（Standard-mode）：100 kbps
• 快速模式（Fast-mode）：400 kbps
• 高速模式（High-speed mode）：3.4 Mbps
• 超高速模式（Ultra Fast-mode）：5 Mbps（不常用）

二、SPI 总线概述

2.1 SPI 基本原理

SPI 是 Motorola（现 NXP）公司提出的同步串行通信协议，主要用于微控制器与高速外设之间的通信。SPI 总线至少使用 四根线：

• SCLK（Serial Clock）：时钟线
• MOSI（Master Out Slave In）：主出从入
• MISO（Master In Slave Out）：主入从出
• SS/CS（Slave Select / Chip Select）：片选线

SPI 通信为全双工结构，由主设备提供时钟信号，片选信号选择通信的从设备。

2.2 SPI 特点

• 全双工通信，传输速率高
• 接口简单，易于实现
• 点对点或一主多从结构（需要独立 CS）
• 无应答机制，协议简洁但缺乏完整性检测

2.3 SPI 传输速率

SPI 的传输速率受限于硬件支持，可达到数十 Mbps，部分高性能芯片支持 100 Mbps 以上。

三、IIC 与 SPI 对比分析

属性	IIC 总线	SPI 总线
通信线数	2 条（SDA + SCL）	最少 4 条（MISO、MOSI、SCLK、CS）
支持设备数	支持多主多从结构，设备寻址	一主多从，但每个从设备需独立 CS
通信模式	半双工	全双工
数据速率	最高可达 3.4 Mbps（理论）	最高可达数十 Mbps 甚至上百 Mbps
数据完整性	有应答机制，通信更可靠	无硬件应答机制
协议复杂度	较高（起始、应答、仲裁）	较低
IO 占用	少（2 根）	多（4+n 根）
热插拔支持	支持	不支持
通信距离	较短（一般 <1 米）	受限于速率，建议短距离
使用场景	配置型设备，低速外设	高速数据传输，如显示屏、Flash

四、工作机制比较

4.1 总线结构对比

IIC 总线结构图：

主设备1 ——┐
          ├── SDA
主设备2 ——┘
          ├── SCL
从设备1 ——┬─── SDA
从设备2 ——┘

SPI 总线结构图：

         ┌─────────┬───CS0─── 从设备1
主设备 ──┬─SCLK────┤
         ├─MOSI────┤───CS1─── 从设备2
         └─MISO────┘

4.2 数据传输对比

IIC 数据传输流程：

[Start] -> [Slave Address + R/W] -> [ACK] -> [Data Byte] -> [ACK/NAK] -> [Stop]

SPI 数据传输流程：

主设备发送数据 <---SCLK 同步---> 从设备接收数据
主设备接收数据 <---SCLK 同步---> 从设备发送数据

五、IIC 与 SPI 应用场景

5.1 IIC 应用场景

• EEPROM（AT24Cxx）
• RTC（实时时钟，如 DS1307）
• 温湿度传感器（SHT30）
• IO 扩展器（PCF8574）
• 电源管理芯片（PMIC）

5.2 SPI 应用场景

• 显示屏（OLED、TFT）
• Flash 存储器（W25Q64）
• ADC/DAC 高速模数转换器
• SD 卡接口
• 触摸屏控制器

六、嵌入式开发中 IIC 与 SPI 的选型建议

应用场景	建议总线
多设备挂载（EEPROM+RTC+PMIC）	IIC
高速传感器（SPI ADC）	SPI
小尺寸OLED屏幕	SPI（速度快，刷新高）
仅有两根IO口的MCU	IIC
实时音频数据采集	SPI
多种低速设备整合	IIC

七、IIC 与 SPI 在 Linux 下的驱动开发差异

7.1 IIC 驱动框架

i2c_add_driver(&xxx_driver);

7.2 SPI 驱动框架

spi_register_driver(&xxx_spi_driver);

八、实际案例分析

8.1 IIC 实战

struct i2c_msg msgs[2];
u8 addr = 0x00;
u8 buf[16];

// 写地址
msgs[0].addr = 0x50;
msgs[0].flags = 0;
msgs[0].len = 1;
msgs[0].buf = &addr;

// 读数据
msgs[1].addr = 0x50;
msgs[1].flags = I2C_M_RD;
msgs[1].len = 16;
msgs[1].buf = buf;

ret = i2c_transfer(adapter, msgs, 2);

8.2 SPI 实战

struct spi_transfer t[2];
u8 tx_buf[4 + data_len];
u8 rx_buf[data_len];

spi_message_init(&m);
t[0].tx_buf = tx_buf;
t[0].len = 4 + data_len;
spi_message_add_tail(&t[0], &m);
ret = spi_sync(spi_dev, &m);

九、总结

IIC 更节省资源，适用于低速、多设备、可靠性高的场景；
SPI 更高效、速度快，适用于高速数据传输需求。

十、参考资料

• NXP I2C Specification
• Motorola SPI Application Notes
• 《Linux 设备驱动开发详解》
• 嵌入式系统设计实战项目汇编