I2C
I2C (Inter-Integrated Circuit) 和 SPI (Serial Peripheral Interface) 是嵌入式系统中最常用的两种低速串行总线协议。它们主要用于连接微控制器与各种外设，如传感器、EEPROM、显示驱动、ADC/DAC 等设备。这两种总线在电气特性和使用场景上各有特点。
I2C 总线
I2C 是由 Philips (现 NXP) 在 1980 年代初开发的双向、二线制、半双工串行总线。I2C 只需要两根信号线：SDA (Serial Data) 串行数据线和 SCL (Serial Clock) 串行时钟线，支持多主多从架构。
I2C 的物理接口采用开漏输出模式，需要通过上拉电阻将信号线拉高。这种设计使得多个设备可以共享同一条总线，任何一个设备都可以将信号线拉低。当所有设备都释放总线时，上拉电阻将信号线拉高，形成逻辑 1。当某个设备将信号线拉低时，形成逻辑 0。
I2C 的通信过程由主设备控制。主设备产生时钟信号 SCL，并启动和停止通信。I2C 定义了启动条件 (SCL 为高时 SDA 从高变低)、停止条件 (SCL 为高时 SDA 从低变高)、应答位 (ACK) 等协议细节。每个设备都有唯一的 7 位或 10 位地址，主设备通过发送设备地址来选择要通信的从设备。
I2C 支持多种速度模式。标准模式 (Standard-mode) 支持 100kbps，快速模式 (Fast-mode) 支持 400kbps，快速模式增强版 (Fast-mode Plus) 支持 1Mbps，高速模式 (High-speed mode) 支持 3.4Mbps。速度越高，对总线电容和上拉电阻的要求越严格。
从工程实践来看，I2C 的优势在于接线简单、节省 IO 口。但 I2C 也有明显的局限性。由于采用开漏输出和上拉电阻，信号上升沿较慢，限制了通信速度。I2C 的地址空间有限，7 位地址只能支持 128 个设备，而且还有一些保留地址。I2C 的抗干扰能力较弱，长距离通信容易受噪声影响。
SPI 总线
SPI 是由 Motorola 最初开发的全双工同步串行总线。SPI 通常使用四根信号线：SCK (Serial Clock) 串行时钟、MOSI (Master Out Slave In) 主出从入、MISO (Master In Slave Out) 主入从出、CS (Chip Select) 片选信号。SPI 采用主从架构，通常一个主设备和多个从设备。
与 I2C 不同，SPI 采用推挽输出而非开漏输出，信号转换速度快，可以实现更高的通信速率。SPI 的片选信号是独立的，每个从设备需要一根专用的 CS 线，这使得 SPI 在多从设备场景下占用较多的 IO 口，但同时也简化了设备选择逻辑。
SPI 的通信由主设备发起。主设备拉低某个从设备的 CS 线，然后产生时钟信号 SCK，在 SCK 的边沿通过 MOSI 发送数据，同时通过 MISO 接收数据。SPI 支持四种时钟极性和相位模式 (CPOL 和 CPHA)，不同的从设备可能需要不同的模式，主设备需要根据从设备的规格进行配置。
SPI 没有定义标准的速度等级，实际速率取决于主设备和从设备的性能。在实际应用中，SPI 可以轻松达到数十 Mbps 的速率，远高于 I2C。一些高速 SPI Flash 甚至支持 100Mbps 以上的速率。
SPI 的优势在于全双工通信、高速传输、简单的协议逻辑。SPI 不需要复杂的地址解析和应答机制，硬件实现简单。但 SPI 也有局限性，主要是缺少统一的设备寻址机制，每个从设备需要独立的 CS 线，在从设备数量较多的场景下会占用大量 IO 口。
I2C 与 SPI 的选型
在实际工程中，I2C 和 SPI 的选择取决于具体的应用需求。如果 IO 口资源紧张，设备数量较多，通信距离较长，I2C 是更好的选择。典型的 I2C 应用包括温度传感器、湿度传感器、EEPROM、实时时钟 (RTC)、小型 OLED 显示屏等。
如果需要高速数据传输，全双工通信，或者 IO 口资源充足，SPI 是更合适的选择。典型的 SPI 应用包括 SD 卡、SPI Flash、高速 ADC/DAC、无线通信模块 (如 NRF24L01)、TFT LCD 显示屏等。
需要注意的是，I2C 和 SPI 都有扩展协议和变种。I2C 有 SMBus (System Management Bus)，主要用于智能电池系统，与 I2C 高度兼容但有一些额外的电气和协议要求。SPI 有 Quad SPI (QSPI)，使用四根数据线实现更高的传输速率，常用于高速 Flash 存储器。
Linux 对 I2C 和 SPI 的支持
Linux 内核提供了完整的 I2C 和 SPI 子系统。对于 I2C，内核支持通过设备树或 ACPI 描述 I2C 总线和设备，提供通用的 i2c-master 驱动框架和设备驱动接口。开发者可以使用 i2c-tools 工具集在用户空间进行 I2C 设备的探测和调试。
对于 SPI，内核同样支持设备树和 ACPI 两种描述方式。Linux 的 SPI 控制器驱动负责管理物理总线，而具体的 SPI 设备驱动则通过 spi_driver 接口注册。内核还提供了 spidev 设备，允许用户空间直接访问 SPI 总线，这对开发和调试非常有用。
在嵌入式开发中，理解 I2C 和 SPI 的电气特性和协议细节非常重要。错误的接线、不当的上拉电阻、不匹配的时钟模式都可能导致通信失败。使用逻辑分析仪或示波器观察总线信号是调试这类问题的有效手段。