ARM处理器外设驱动SPI与I2C传输驱动开发实战 - 第1节
1.1 SPI协议概述：四线制、主从模式、全双工
SPI，全称Serial Peripheral Interface，是Motorola公司在上世纪80年代推出的一种同步串行通信协议。说实话，这玩意儿虽然年纪不小了，但在嵌入式领域至今仍是主力。我最早接触SPI是在做一款工业数据采集卡的时候，当时需要在主控和ADC之间高速搬运数据，试了一圈，最后还是选了SPI。
1.1.1 四线制信号
SPI用四条线完成通信，每条线各司其职：
- SCLK（Serial Clock）：串行时钟，由主设备产生。时钟频率决定了通信速率。
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入。数据从主设备流向从设备。
- MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出。数据从从设备流向主设备。
- SS（Slave Select）：从设备选择线，低电平有效。主设备通过拉低某个从设备的SS线来选中它。
你想想看，四条线就能实现全双工通信，这在硬件设计上是非常经济的。我在项目中见过有人把SS线叫做CS（Chip Select），一回事，别搞混就行。
1.1.2 主从模式
SPI总线上的设备分为主设备和从设备。主设备负责产生时钟信号，并控制所有通信的发起和结束。从设备只能被动响应，不能主动发起通信。
一个主设备可以挂多个从设备，每个从设备独占一条SS线。主设备想跟谁说话，就把谁的SS线拉低，其他从设备的SS线保持高电平，它们就会乖乖待在总线上不动。
1.1.3 全双工通信
SPI最让我欣赏的一点就是全双工。什么意思？主设备在发送数据的同时，从设备也在发送数据。一个时钟周期内，MOSI和MISO上各有一位数据在传输，互不干扰。
底层实现其实很简单：主设备和从设备各有一个移位寄存器，时钟的上升沿和下降沿分别负责数据的采样和移位。主设备把数据从MOSI推出去的同时，从设备把数据从MISO推回来。所以SPI的每一次传输，主设备都会收到从设备返回的数据——哪怕你不需要，也得读出来。
1.2 I2C协议概述：两线制、多主多从、半双工
I2C，Inter-Integrated Circuit，是Philips公司（现在的NXP）开发的。它的设计理念跟SPI完全不同——用最少的线完成最灵活的通信。我刚开始做驱动时，总觉得I2C比SPI复杂，后来用熟了才发现，它的优雅之处恰恰在于那套协议层的设计。
1.2.1 两线制信号
I2C只需要两条线：
- SCL（Serial Clock）：串行时钟线，由主设备控制。
- SDA（Serial Data）：串行数据线，双向传输数据。
这两条线都是开漏输出，外部需要上拉电阻。开漏的好处是多个设备可以共用总线，谁想拉低就拉低，不会发生短路。坏处嘛，就是速度上不去，因为上拉电阻的充放电时间限制了信号跳变的速度。
1.2.2 多主多从与仲裁
I2C支持多个主设备挂在同一条总线上。这听起来很美好，但实际用起来需要小心。多个主设备同时发起通信怎么办？I2C的解决方案是仲裁——谁先拉低SDA，谁就赢得总线控制权。
仲裁机制是这样的：每个主设备在发送数据的同时，会监测SDA上的电平。如果它想发送高电平，但SDA上实际是低电平，说明有其他主设备在拉低总线，它就自动退出，让出控制权。整个过程对上层软件是透明的。
1.2.3 半双工与地址寻址
I2C是半双工的，同一时刻只能有一个方向的数据传输。主设备发送时，从设备只能接收；主设备接收时，从设备才能发送。切换方向需要重新发送起始条件和从设备地址。
每个I2C从设备都有一个7位或10位的地址。主设备在通信开始时，先发送从设备地址和读写位（0表示写，1表示读），然后等待从设备的应答信号（ACK）。如果从设备应答了，说明它在线并且准备好了，后续就可以传输数据。
7位地址最多支持112个设备（保留地址除外），10位地址可以扩展到1024个。实际项目中，7位地址基本够用。
1.3 SPI与I2C对比分析
做项目选型时，SPI和I2C怎么选？我见过不少工程师在这个问题上纠结。下面这张表是我多年经验的总结，你直接拿去用。
| 对比维度 | SPI | I2C |
|---|---|---|
| 引脚数量 | 4线（SCLK, MOSI, MISO, SS） | 2线（SCL, SDA） |
| 通信模式 | 全双工 | 半双工 |
| 主从关系 | 单主多从 | 多主多从 |
| 速度范围 | 典型10MHz~50MHz，最高可达100MHz+ | 标准模式100kHz，快速模式400kHz，高速模式3.4MHz |
| 从设备选择 | 硬件片选线（每设备一根） | 软件地址寻址（7位或10位） |
| 协议复杂度 | 低，无应答机制 | 高，有起始/停止条件、应答、仲裁 |
| 硬件开销 | 引脚多，但逻辑简单 | 引脚少，但需要上拉电阻 |
| 典型应用 | ADC/DAC、LCD显示屏、SD卡、Flash存储器 | 温度传感器、EEPROM、RTC、IO扩展芯片 |
1.3.1 速度与引脚：鱼和熊掌
SPI的优势在速度。50MHz的SPI总线，每秒能传50Mbit的数据，换算成字节就是6.25MB/s。I2C的快速模式才400kHz，差了100多倍。所以需要高速数据搬运的场景，比如摄像头图像数据、音频流、Flash读写，SPI是唯一选择。
但SPI的代价是引脚多。每增加一个从设备，就要多一根SS线。如果你的主控GPIO本来就紧张，挂4个SPI从设备就得占用7个引脚（SCLK+MOSI+MISO+4×SS），而I2C只需要2个引脚。
我记得有一次做智能家居网关，主控引脚只剩3个了，但需要挂6个传感器。SPI肯定没戏，最后全部走I2C，用地址区分设备，2根线搞定6个传感器，省下来的引脚接了按键和LED。
1.3.2 复杂度：简单粗暴 vs 协议严谨
SPI的协议层几乎为零。主设备只管发时钟、推数据、收数据，没有应答、没有地址、没有起始停止条件。驱动写起来非常直接——配置好时钟极性和相位，往数据寄存器里写值，读回来就行。
I2C就复杂多了。你得处理起始条件、从设备地址、读写位、ACK/NACK、停止条件，还要考虑时钟拉伸（Clock Stretching）和仲裁。驱动代码量至少是SPI的两倍。
但复杂度换来了灵活性。I2C的地址机制让总线扩展变得非常容易，想加设备就加，只要地址不冲突就行。SPI加设备就得加SS线，硬件改动大。
1.3.3 应用场景：各有所长
选型时我一般遵循这个原则：
- 选SPI的场景：数据量大、速度要求高、引脚不紧张。比如SD卡读写、LCD刷屏、音频编解码器、高速ADC。
- 选I2C的场景：引脚受限、设备数量多、数据量小。比如温度传感器、光照传感器、EEPROM配置存储、RTC时钟芯片。
- 两者都行：有些设备同时支持SPI和I2C接口，比如某些加速度计和陀螺仪。这时候看你的主控资源，哪个方便用哪个。
另外，SPI没有标准的总线枚举机制，你没法像I2C那样扫描总线发现设备。所以SPI设备通常都是固定的，上电就知道挂在哪里。I2C支持热插拔和动态发现，适合需要灵活配置的系统。
1.4 知识体系总览
下面这张图把SPI和I2C的核心知识点串起来了。你可以把它当作本章的思维导图，后续章节会逐一展开每个模块。