Linux i2c接口和spi接口的区别

1. 引言

任何涉及硬件交互的嵌入式系统或设备都需要使用接口来与传感器、存储器、扩展模块等进行通信。在Linux系统中，两个常用的接口是i2c接口和spi接口。本文将详细讨论这两种接口的区别和特点。

2. i2c接口

i2c（又称为“IIC”或“I2C”）是一种串行通信接口，由Philips（现在的NXP）在1982年开发。它使用两条线（SDA和SCL）进行通信，可以连接多个设备，具有主从模式。下面是i2c接口的一些特点：

信号线：i2c接口只需要两条信号线，即SDA（Serial Data）和SCL（Serial Clock）。
地址识别：i2c每个设备都有一个唯一的地址，主设备通过地址来识别和访问从设备。
速度：i2c的速度通常比spi慢，最高速度通常在400 kHz。但是，i2c也支持更高的速度，如Fast Mode（400 kHz）和High-Speed Mode（3.4 MHz）。
电气特性：i2c接口使用开漏极性传输，意味着数据行（SDA）和时钟行（SCL）上的设备只能驱动低电平，而高电平时会通过上拉电阻提供。

i2c接口适用于连接多个设备，其中设备相对较少，通信速度要求不太高的应用场景。例如，连接显示屏、温度传感器、电容触摸传感器等。

3. spi接口

spi（Serial Peripheral Interface）是一种串行通信接口，由Motorola开发。与i2c不同，spi接口使用四条线（MISO、MOSI、SCLK和CS）进行通信，主要用于连接外设。下面是spi接口的一些特点：

信号线：spi接口使用四条信号线，即MISO（Master-In Slave-Out）、MOSI（Master-Out Slave-In）、SCLK（Serial Clock）和CS（Chip Select）。
多设备支持：spi允许在同一总线上连接多个设备，每个设备都有一个独立的片选引脚。
速度：spi接口的速度通常比i2c快得多。根据硬件支持的频率范围，spi接口可以达到10 MHz或更高的速度。
电气特性：spi接口没有固定的电气特性，可以根据具体硬件进行定义。

spi接口适用于需要高速数据传输、连接多个外设的应用场景。例如，连接闪存芯片、音频编解码器、数字转换器等。

4. 区别和选择

i2c接口和spi接口在设计和使用上有一些区别，可以根据具体的需求选择合适的接口。

线数和连接方式：i2c接口只需要两条信号线，而spi接口需要四条。这意味着在使用i2c接口时，线缆和连接器的成本更低。然而，spi接口在高速通信和长距离传输方面更有优势。
设备支持：i2c接口通过每个设备的唯一地址来区分，主设备通过地址来选择要访问的设备。而spi接口通过片选引脚来选择要访问的设备。因此，在连接多个设备时，spi接口更具灵活性。
速度：spi接口通常比i2c接口快得多。对于需要高速数据传输的应用场景，spi接口是更好的选择。
应用领域：i2c接口适用于连接多个低速设备，如传感器和显示屏。spi接口适用于连接高速设备，如闪存芯片和音频编解码器。

5. 示例代码解析

以下是使用C语言编写的示例代码，演示了如何在Linux系统中使用i2c接口和spi接口进行通信。

5.1 i2c示例代码

#include <linux/i2c-dev.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int file;
    char filename[20] = "/dev/i2c-1";
    __s32  res;

    // 打开i2c设备文件
    file = open(filename, O_RDWR);
    if (file < 0) {
        perror("打开i2c设备文件失败");
        return 1;
    }

    // 设置从设备地址
    int addr = 0x50;  // 示例设备地址
    res = ioctl(file, I2C_SLAVE, addr);
    if (res < 0) {
        perror("设置从设备地址失败");
        return 1;
    }

    // 读取数据
    char buf[10];
    res = read(file, buf, 10);
    if (res != 10) {
        perror("读取数据失败");
        return 1;
    }

    // 关闭设备文件
    close(file);

    printf("读取到的数据：");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%02x ", buf[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

上述示例代码演示了如何打开i2c设备文件，设置从设备地址，并读取数据。请注意，实际使用时，需要根据具体硬件配置修改设备文件路径和设备地址。

5.2 spi示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>

int main() {
    int spi_fd;
    int spi_mode = SPI_MODE_0;
    int spi_bitsPerWord = 8;
    int spi_speed = 1000000;  // 1 MHz

    const char *spi_device = "/dev/spidev0.0";

    // 打开spi设备文件
    spi_fd = open(spi_device, O_RDWR);
    if (spi_fd < 0) {
        perror("打开spi设备文件失败");
        return 1;
    }

    // 设置spi模式
    if (ioctl(spi_fd, SPI_IOC_WR_MODE, &spi_mode) == -1) {
        perror("设置spi模式失败");
        return 1;
    }

    // 设置字长（每个字节的位数）
    if (ioctl(spi_fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &spi_bitsPerWord) == -1) {
        perror("设置字长失败");
        return 1;
    }

    // 设置传输速度
    if (ioctl(spi_fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &spi_speed) == -1) {
        perror("设置传输速度失败");
        return 1;
    }

    // 缓冲区准备
    unsigned char tx_buffer[10] = {0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44};
    unsigned char rx_buffer[10];

    struct spi_ioc_transfer spi_msg = {
        .tx_buf = (unsigned long)tx_buffer,
        .rx_buf = (unsigned long)rx_buffer,
        .len = sizeof(tx_buffer),
        .speed_hz = spi_speed,
        .bits_per_word = spi_bitsPerWord,
        .cs_change = 1,
    };

    // 进行spi传输
    if (ioctl(spi_fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &spi_msg) == -1) {
        perror("spi传输失败");
        return 1;
    }

    // 关闭spi设备文件
    close(spi_fd);

    printf("接收到的数据：");
    for (int i = 0; i < sizeof(rx_buffer); i++) {
        printf("%02x ", rx_buffer[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

上述示例代码演示了如何打开spi设备文件，设置spi模式、字长和传输速度，并进行spi传输。请注意，实际使用时，需要根据具体硬件配置修改spi_device路径、spi_mode、spi_bitsPerWord和spi_speed。