深入解析I²C与SPI协议：原理、时序及软件实现
- IT业界
- 2025-09-14 18:54:02
1. I2C 协议
I²C（Inter-Integrated Circuit，简称 IIC 或 I²C）是一种半双工、同步串行通信协议，主要用于短距离、低速的设备间通信。它由 Philips（现 NXP） 公司在 1982 年提出，广泛应用于嵌入式系统、传感器通信、EEPROM 、常见4pin脚OLED屏等场景。
速度在100 kbps ~ 3.4 Mbps之间。一般是低速100 kbps ~ 400 kbps
1.1 连接方式所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起，设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式（因为IIC经常切换输入输出，如果使用推挽容易造成短路），SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。
双线通信：
数据线（SDA, Serial Data）：传输数据。
时钟线（SCL, Serial Clock）：同步数据传输的时钟信号。
1.2 主从结构
主设备（Master）：控制通信的设备。可以是微控制器、计算机等，它生成时钟信号并发起通信。
从设备（Slave）：被主设备控制的设备。可以是传感器、外部设备、存储器等。
支持多设备通信：一条I2C总线上可以连接多个主设备和从设备。每个从设备通过一个唯一的地址来进行识别，主设备通过该地址来选择与哪个从设备通信。
1.3 I2C协议的时序起始信号 → 设备地址 + 方向位（读写指示位） → ACK（应答信号）→ 发送数据字节（仅读模式，主机发送） → ACK → 停止信号
主设备发送 7 位或 10 位地址，然后发送 读/写位（R/W）。
读（1）：主设备想从从设备读取数据。
写（0）：主设备想向从设备写入数据。
1.3.1 起始/终止信号起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平
终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平
1.3.2 发送/接收数据发送数据：数据传输是以字节为单位进行的。每个字节（8位数据）后都需要一个ACK信号。发送起始条件和地址帧后，SCL在低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。
接收数据：与接收数据一致，只是SDA线的控制权交给了从机，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行）。
1.3.3 应答信号ACK（Acknowledge）：设备在收到正确数据后，将 SDA 拉低表示应答。
NACK（Not Acknowledge）：设备未收到或数据错误时，SDA 维持高电平。
1.3.4 信号帧解读指定地址写：
指定地址读:
1.4 软件IIC代码实现 #include "I2C_demo.h" // ======================= I²C 配置 ======================= #define I2C_GPIO_PORT GPIOB // I²C 端口 #define I2C_SCL_PIN GPIO_Pin_x // SCL 引脚 #define I2C_SDA_PIN GPIO_Pin_x // SDA 引脚 #define I2C_RCC RCC_APB2Periph_GPIOB // RCC 时钟 // 延时宏（可优化） #define I2C_DELAY_US 10 #define I2C_Delay() Delay_us(I2C_DELAY_US) // ======================= I²C 基础操作 ======================= // SCL 控制 #define Write_SCL(x) GPIO_WriteBit(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN, x ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); I2C_Delay() // SDA 控制 #define Write_SDA(x) GPIO_WriteBit(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN, x ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); I2C_Delay() // 读取 SDA #define Read_SDA() GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN) // ======================= I²C 函数实现 ======================= void I2C_Init(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(I2C_RCC, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SCL_PIN | I2C_SDA_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); // 设置初始状态 Write_SCL(1); Write_SDA(1); } // I2C 起始信号 void I2C_Start(void) { Write_SDA(1); Write_SCL(1); Write_SDA(0); Write_SCL(0); } // I2C 停止信号 void I2C_Stop(void) { Write_SDA(0); Write_SCL(1); Write_SDA(1); } // 发送一个字节 void I2C_SendByte(uint8_t Byte) { for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) { Write_SDA(Byte & (0x80 >> i)); // 最高位先传输 Write_SCL(1); Write_SCL(0); } } // 读取一个字节 uint8_t I2C_ReceiveByte(void) { uint8_t i, Byte = 0; Write_SDA(1); // 释放 SDA for (i = 0; i < 8; i++) { Write_SCL(1); if (Read_SDA()) Byte |= (0x80 >> i); Write_SCL(0); } return Byte; } // 发送 ACK（0）或 NACK（1） void I2C_SendAck(uint8_t AckBit) { Write_SDA(AckBit); Write_SCL(1); Write_SCL(0); } // 接收 ACK（0）或 NACK（1） uint8_t I2C_ReceiveAck(void) { uint8_t AckBit; Write_SDA(1); // 释放 SDA Write_SCL(1); AckBit = Read_SDA(); Write_SCL(0); return AckBit; } /** * @brief I2C 向从设备写入 1 字节数据 * @param slave_addr 7 位 I2C 设备地址（不含 R/W 位） * @param data 要发送的 1 字节数据 * @retval 0: 成功, 1: 失败 */ uint8_t I2C_WriteByte(uint8_t slave_addr, uint8_t data) { I2C_Start(); I2C_SendByte((slave_addr << 1) | 0); // 发送地址+写位 (0) if (I2C_ReceiveAck()) { I2C_Stop(); return 1; // 失败 } I2C_SendByte(data); if (I2C_ReceiveAck()) { I2C_Stop(); return 1; // 失败 } I2C_Stop(); return 0; // 成功 } /** * @brief I2C 读取从设备的 1 字节数据 * @param slave_addr 7 位 I2C 设备地址（不含 R/W 位） * @param p_data 读取到的数据存放地址 * @retval 0: 成功, 1: 失败 */ uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t slave_addr, uint8_t *p_data) { I2C_Start(); I2C_SendByte((slave_addr << 1) | 1); // 发送地址+读位 (1) if (I2C_ReceiveAck()) { I2C_Stop(); return 1; // 失败 } *p_data = I2C_ReceiveByte(); I2C_SendAck(1); // 发送 NACK，表示读取完成 I2C_Stop(); return 0; // 成功 } 2. SPI 协议SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种 高速、全双工、同步 的串行通信协议，常用于 微控制器、传感器、存储器（如 Flash）、显示屏、音频 IC、常见七Pin脚OLED屏 等设备间的数据传输。
2.1 连接方式SPI 总线通常由 4 条信号线 组成：
MOSI（Master Out Slave In）：主设备数据输出，连接到从设备的数据输入。
MISO（Master In Slave Out）：主设备数据输入，连接到从设备的数据输出。
SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备生成，从设备接收同步。
CS（Chip Select） / SS（Slave Select）：片选信号，低电平有效，选择特定从设备（根据从机的数量增加）。
输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入
从机未被选中时，该从机的 MISO 引脚必须切换位高阻态（防止从机推挽模型下的点平冲突，从机一般内部自动完成）
2.2 主从结构
一主多从：
每个从设备都需要一个独立的 CS 线，否则多个从设备可能同时响应主设备。
主设备 只会在选中的从设备上进行数据传输。
2.3 SPI 通信模式其数据传输是基于 时钟信号（SCK） 的 上升沿 或 下降沿 进行数据的移位（Shift）和采样（Latch）。这一过程依赖于 时钟极性（CPOL） 和 时钟相位（CPHA） 的设置（仅移位和采样的触发时刻不同），主机和从机必须按照相同的规则进行移位，以保证数据正确传输。
2.3.1 起始/终止信号起始条件：SS从高电平切换到低电平
终止条件：SS从低电平切换到高电平
2.3.2 发送/接收数据发送和接收数据有四种模型可以选择：SPI 设备的数据传输受 时钟极性（CPOL） 和 时钟相位（CPHA） 控制，这两个参数决定了数据采样的时间点。
SPI 时钟模式（由 CPOL 和 CPHA 组合）
模式CPOLCPHA时钟空闲状态数据移位时刻数据采样时刻模式 000低电平上升沿下降沿模式 101低电平下降沿上升沿模式 210高电平下降沿上升沿模式 311高电平上升沿下降沿一个周期交换一个 bit 数据，以上模式仅是触发时刻不同
SPI 一般采用的是向从机发送指令来完成相应功能（从机内内置指令集，由厂商规定）
2.3.3 信号帧解读主机向从机发送指令：
主机向从机指定地址读：
2.4 软件SPI代码实现 #include "SPI_demo.h" // ======================= SPI 配置 ======================= #define SPI_GPIO_PORT GPIOB // SPI 端口 #define SPI_SCK_PIN GPIO_Pin_10 // SCK 时钟引脚 #define SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_11 // MOSI 数据输出引脚 #define SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_12 // MISO 数据输入引脚 #define SPI_CS_PIN GPIO_Pin_13 // 片选 CS 引脚 #define SPI_RCC RCC_APB2Periph_GPIOB // RCC 时钟 // 延时宏（可优化为更精确的时间） #define SPI_DELAY_US 1 #define SPI_Delay() Delay_us(SPI_DELAY_US) // ======================= SPI 基础操作 ======================= // SCK 控制 #define Write_SCK(x) \ GPIO_WriteBit(SPI_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, x ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); \ SPI_Delay() // MOSI 控制 #define Write_MOSI(x) \ GPIO_WriteBit(SPI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, x ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); \ SPI_Delay() // 读取 MISO #define Read_MISO() GPIO_ReadInputDataBit(SPI_GPIO_PORT, SPI_MISO_PIN) // CS 控制 #define Write_CS(x) \ GPIO_WriteBit(SPI_GPIO_PORT, SPI_CS_PIN, x ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); \ SPI_Delay() // ======================= SPI 函数实现 ======================= void SPI_Init(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(SPI_RCC, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // 配置 SCK、MOSI、CS 为推挽输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_SCK_PIN; GPIO_Init(SPI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_MOSI_PIN; GPIO_Init(SPI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_CS_PIN; GPIO_Init(SPI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); // 配置 MISO 为输入 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_MISO_PIN; GPIO_Init(SPI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); // 设置初始状态 Write_SCK(0); Write_MOSI(1); Write_CS(1); } // SPI 传输 1 字节（主机发送 & 接收） uint8_t SPI_TransferByte(uint8_t data) { uint8_t i, receivedData = 0; for (i = 0; i < 8; i++) { // 设置 MOSI 线 Write_MOSI((data & 0x80) ? 1 : 0); Write_SCK(1); // 上升沿，传输数据 // 读取 MISO 线 receivedData <<= 1; if (Read_MISO()) receivedData |= 0x01; Write_SCK(0); // 下降沿，准备下一位 data <<= 1; // 左移 1 位 } return receivedData; } // SPI 发送多字节数据 void SPI_WriteBytes(uint8_t *pTxData, uint16_t len) { Write_CS(0); // 选中从设备 for (uint16_t i = 0; i < len; i++) SPI_TransferByte(pTxData[i]); Write_CS(1); // 释放从设备 } // SPI 读取多字节数据 void SPI_ReadBytes(uint8_t *pRxData, uint16_t len) { Write_CS(0); // 选中从设备 for (uint16_t i = 0; i < len; i++) pRxData[i] = SPI_TransferByte(0xFF); // 发送 0xFF 读取数据 Write_CS(1); // 释放从设备 } // SPI 读写多字节数据 void SPI_TransferBytes(uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t len) { Write_CS(0); // 选中从设备 for (uint16_t i = 0; i < len; i++) pRxData[i] = SPI_TransferByte(pTxData[i]); Write_CS(1); // 释放从设备 }深入解析I²C与SPI协议：原理、时序及软件实现由讯客互联IT业界栏目发布，感谢您对讯客互联的认可，以及对我们原创作品以及文章的青睐，非常欢迎各位朋友分享到个人网站或者朋友圈，但转载请说明文章出处“深入解析I²C与SPI协议：原理、时序及软件实现”
