Czym różni się I2C od SPI i kiedy lepiej użyć którego?

Najważniejsze różnice między I2C a SPI

• Liczba przewodów: I2C wykorzystuje tylko 2 linie sygnałowe: SDA dane i SCL zegara, niezależnie od liczby podłączonych urządzeń. SPI wymaga 4 linii dla jednego urządzenia MOSI, MISO, SCK, CS; z każdą kolejną kostką peryferyjną dochodzi dodatkowy pin CS Chip Select do wyboru układu. Oznacza to, że I2C jest pod tym względem prostsze okablować mniej połączeń, zaś SPI zajmuje więcej wyprowadzeń mikrokontrolera.
• Adresowanie i liczba urządzeń: W I2C każdemu urządzeniu slave przypisany jest unikalny adres 7 lub 10-bitowy, dzięki czemu wiele układów może współdzielić tę samą 2‑przewodową magistralę. Master wysyła adres docelowy na początku transmisji, aby wybrać odpowiednie urządzenie. W SPI nie ma adresów każdemu slave’owi odpowiada osobna linia CS sterowana przez mastera. Teoretycznie do I2C można podłączyć do 127 urządzeń adresy 7-bitowe, w praktyce około 112 po odliczeniu adresów zastrzeżonych. W SPI liczba obsługiwanych układów jest ograniczona głównie dostępną liczbą pinów na sygnały CS w mikrokontrolerze zwykle kilka na jednej magistrali, chyba że zastosujemy dodatkowe dekodery linii CS.
• Szybkość transmisji: SPI jest na ogół znacznie szybsze od I2C. Protokół SPI nie ma formalnego limitu częstotliwości w praktyce wiele mikrokontrolerów osiąga dziesiątki MHz np. 10–20 MHz a niektóre układy nawet więcej. Natomiast typowe prędkości I2C to 100 kHz Standard Mode lub 400 kHz Fast Mode w projektach hobbystycznych, ewentualnie do 3,4 MHz w trybie High Speed. SPI potrafi więc przesyłać dane wielokrotnie szybciej niż I2C co bywa istotne np. przy obsłudze wyświetlaczy graficznych lub szybkich przetworników ADC. Przykładowo, pełne odświeżenie małego ekranu OLED przez I2C 400 kHz może zająć ok. 40 ms, podczas gdy ten sam ekran sterowany SPI ≈8 MHz odświeży się w ~6 ms czyli kilka razy szybciej.
• Tryb komunikacji: SPI działa w trybie pełnego dupleksu posiada osobne linie do wysyłania MOSI i odbierania danych MISO, dzięki czemu może realizować obie transmisje jednocześnie. I2C jest półdupleksowy wszystkie urządzenia dzielą linię SDA, więc w danym momencie komunikacja odbywa się tylko w jednym kierunku master najpierw wysyła komendę, potem może otrzymać odpowiedź. W praktyce half-duplex I2C nie stanowi problemu przy odczytywaniu typowych czujników itp., ale full-duplex SPI bywa zaletą np. gdy urządzenie peryferyjne musi równocześnie zwracać dane podczas odbierania komendy.
• Potwierdzanie danych i niezawodność: Protokół I2C zapewnia kontrolę poprawności transmisji każdy bajt danych wysyłany przez mastera musi zostać potwierdzony bit ACK przez odbiornik. Brak ACK informuje mastera o niepowodzeniu, co umożliwia odpowiednią reakcję np. ponowną próbę. SPI nie posiada wbudowanego mechanizmu potwierdzeń master wysyła dane „w ciemno”, a ewentualną weryfikację poprawności trzeba zaimplementować samodzielnie np. poprzez sumy kontrolne lub protokół wyższego poziomu. Z drugiej strony brak narzutu ACK sprawia, że SPI osiąga większą efektywną przepustowość. Warto dodać, że I2C obsługuje tryb multi-master gdyby dwa urządzenia nadrzędne zaczęły nadawać jednocześnie, magistrala rozstrzygnie kolizję automatycznie arbitraż zatrzyma jedno z nadań. W SPI zazwyczaj występuje tylko jeden master, więc ten problem nie pojawia się.
• Zasięg i zakłócenia: Oba protokoły przeznaczone są do komunikacji na krótkim dystansie w obrębie jednej płytki PCB lub między bliskimi modułami. SPI z definicji ma ograniczony zasięg wysokie częstotliwości sygnałów i brak mechanizmów eliminacji zakłóceń sprawiają, że praktycznie nie stosuje się go do łączenia układów na większe odległości. I2C jest nieco bardziej odporne na zakłócenia i bywa używane do komunikacji między płytkami, ale tylko przy niewielkich prędkościach transmisji. Standardowo przewody I2C nie powinny przekraczać kilkudziesięciu centymetrów długości przy dłuższych połączeniach wymagane są specjalne konwertery lub zastosowanie innych protokołów np. CAN, RS-485.
• Zużycie energii: I2C, z racji używania rezystorów podciągających, może pobierać nieco więcej prądu podczas komunikacji niż SPI. Linie SDA/SCL są utrzymywane w stanie wysokim przez rezystory każde przesłanie stanu niskiego powoduje przepływ prądu do masy. SPI wykorzystuje wyjścia typu push-pull, które aktywnie wymuszają stan wysoki lub niski bez potrzeby rezystorów. W efekcie SPI uchodzi za bardziej energooszczędne w zastosowaniach bateryjnych. Różnice są jednak zwykle niewielkie w porównaniu do poboru energii przez same układy peryferyjne.