I2C和SPI总线协议有什么区别？

I2C总线是一个真正的多主机总线，如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只允许有一个主机。

好的，I2C 和 SPI 是两种最常用的嵌入式设备串行通信总线协议。它们在设计目标、工作方式和使用场景上有显著区别，主要体现在以下几个方面：

核心区别总结

引脚数量与线路：
- I2C (Inter-Integrated Circuit)： 只需要两条线：
  - SDA (Serial Data Line)： 传输数据的双向线。
  - SCL (Serial Clock Line)： 由主设备产生的时钟线。
- SPI (Serial Peripheral Interface)： 至少需要四条线 (通常更多，如果挂载多个从设备)：
  - MOSI (Master Out Slave In)： 主设备输出、从设备输入的单向数据线。
  - MISO (Master In Slave Out)： 从设备输出、主设备输入的单向数据线。
  - SCLK (Serial Clock)： 由主设备产生的时钟线。
  - SS/CS (Slave Select / Chip Select)： 主设备控制的片选信号线，每个从设备需要一根独立的 SS/CS 线。这是增加总线上设备数量的关键成本。
数据流模式：
- I2C： 半双工。数据在同一根 SDA 线上进行双向传输（但不能同时收发）。通信是按字节组织的帧，包括地址、控制位、数据和确认位。需要起始位和停止位来界定一次传输的开始和结束。
- SPI： 全双工。MOSI 和 MISO 是独立的单向线，允许主设备和从设备同时收发数据。通信是连续的比特流，由 SCLK 同步。没有起始位和停止位，数据传输的边界完全由主设备控制 CS 信号来决定。
主-从通信模式：
- I2C： 支持多主多从模式（理论上的标准）。多个主设备可以连接到总线，通过仲裁机制来解决对总线的争夺冲突。每个从设备都有一个唯一的地址（通常是7位或10位），主设备通过广播这个地址来选择通信的从设备。
- SPI： 典型的单主多从模式。系统中通常只有一个主设备。主设备通过拉低对应从设备的 CS 信号线来明确选择哪个（或哪几个）从设备进行通信。没有寻址机制。
速度和效率：
- I2C： 速度相对较慢。标准模式是 100 Kbps，快速模式是 400 Kbps，高速模式可达 3.4 Mbps，超高速模式更快但较少见。协议开销较大（起始位、停止位、地址字节、确认位），有效数据传输效率相对较低。
- SPI： 可以达到更高的速度，从几 Mbps 到数百 Mbps 甚至更高，取决于具体器件和物理实现。协议开销很小（基本没有起始/停止/地址），数据传输效率非常高，特别是需要高速、连续传输大量数据的场景。
软件复杂性和灵活性：
- I2C： 协议更复杂（涉及到地址解析、仲裁、确认、重传），需要更复杂的硬件控制器或软件实现。但在软件层面连接多个不同种类的从设备相对容易，只需知道它们的地址。
- SPI： 协议在硬件层面实现起来相对更简单、更灵活。主设备可以自由控制时钟速率、时钟极性/相位，数据传输格式定义也很灵活（每次传输的比特数可以自由定义）。但在软件层面，管理多个从设备的 CS 线需要额外的 GPIO 引脚资源，配置不同设备可能需要注意其特定的模式要求（时钟极性/相位）。
拓扑结构：
- I2C： 所有设备共享 SDA 和 SCL 线，形成总线型拓扑。设备通过各自的上拉电阻连接到总线。
- SPI： 虽然 SCLK、MOSI、MISO 可以在设备间共享，但每个从设备需要一条独立的 SS/CS 线连接到主设备，更像星型拓扑（主在中心）。
差错检测：
- I2C： 每个字节传输后都有一个确认位（ACK/NACK），提供基本的传输状态反馈。硬件（物理层）本身不提供额外的错误检测机制。
- SPI： 本身没有内置的硬件错误检测机制（没有确认位）。数据传输是否正确完全依赖于应用层或额外的软件机制来保证。
功耗：
- I2C： 通常具有较低功耗模式（慢速时钟或无时钟时的上拉状态）。在待机状态下功耗可能较低。开漏结构的 SDA 和 SCL 线在稳定状态时（非切换）功耗极低（仅上拉电阻的微弱电流）。更适合低功耗或电池供电设备。
- SPI： 通常传输时功耗更高（更高的速度、推挽输出结构）。但可以通过关闭不使用的从设备（CS拉高）或切换时钟速率来管理功耗。在高速传输时，功耗会显著增加。

总结表格

特性	I2C	SPI
引脚数量	最少 2根 (SDA, SCL)	最少 4根 (MOSI, MISO, SCLK, CS)
数据流	半双工（同一线上双向）	全双工（同时收发，独立单向线）
主从模式	多主多从（支持仲裁）	单主多从（无仲裁）
设备选择	软件寻址（唯一地址）	硬件选择（专用 CS 线拉低）
拓扑	总线型（共享数据/时钟线）	星型（共享数据/时钟，独立 CS）
速度	较慢（100Kbps - 3.4 Mbps+）	较快（几 Mbps - 数百 Mbps+）
效率	较低（协议开销大）	很高（协议开销小）
软件复杂性	较高（协议复杂）	较低（协议灵活简单）
时钟控制	主控生成标准时钟	主控自由控制时钟速率/极性/相位
帧界定	起始位 & 停止位	无起始/停止位，靠 CS 界定传输
错误检测	有确认位	无硬件错误检测
功耗	较低（开漏结构，慢速时）	较高（推挽输出，高速时）
典型应用	传感器、实时时钟、慢速配置存储器、通用IO扩展	高速ADC/DAC、显示屏、存储器、高速传感器、FPGA通信

选择建议

选择 I2C 当：
- 引脚资源非常紧张。
- 速度要求不高（中低速）。
- 需要连接很多不同的低速设备（如各种传感器、配置芯片）。
- 可能需要多个主控。
- 低功耗是优先考虑因素（尤其是在待机状态）。
选择 SPI 当：
- 需要高速数据传输。
- 数据传输效率（带宽利用率）是关键。
- 需要全双工通信（同时收发）。
- 芯片的 GPIO 引脚资源相对充裕（能提供足够多的 CS 线）。
- 连接高速设备（如存储器、高速ADC/DAC、图形显示屏、某些射频模块）。