Choisir entre I2C et SPI : Différences Clés Expliquées

Vous concevez un projet et il est crucial de choisir entre I2C et SPI ? Mais vous ne savez pas lequel sélectionner ? Nous allons vous aider à décider quel protocole convient le mieux à votre projet.

Qu'est-ce que le protocole SPI ?

Dans les années 1980, Motorola a développé le protocole SPI pour établir la communication entre les microcontrôleurs de l'époque et d'autres périphériques comme les EEPROM.

Le protocole SPI utilise quatre lignes de signal pour la communication entre composants. Notez que ces lignes n'incluent pas les lignes d'alimentation et de masse. Voici les quatre lignes de signal actives :

• SS : ligne de sélection d'esclave (contrôlée par le maître SPI)
• MOSI : Master Out Slave In (contrôlée par le maître SPI)
• SCLK : horloge série (contrôlée par le maître SPI)
• MISO : Master In Slave Out (contrôlée par le périphérique esclave SPI)

Ces quatre lignes permettent à un maître SPI (dispositif contrôleur) de communiquer avec un esclave SPI (dispositif périphérique).

Il ne peut y avoir qu'un seul dispositif contrôleur sur un bus SPI. En revanche, il n'y a pas de limite au nombre de périphériques que vous pouvez ajouter. L'ajout de périphériques supplémentaires implique d'augmenter les lignes SS. Voici une illustration montrant comment utiliser trois lignes SS distinctes pour contrôler différents périphériques.

Lorsque le maître SPI souhaite communiquer avec les périphériques en envoyant ou recevant des données, il abaisse la ligne SS correspondante. Par conséquent, la ligne SCLK s'active et alterne entre états haut et bas à une fréquence définie.

Le maître SPI utilise la ligne MISO pour envoyer des données et échantillonner simultanément. Notez qu'il ne peut y avoir de communication qu'entre un seul périphérique et le maître SPI à la fois.

Qu'est-ce que l'I2C ?

En 1982, Philips Semiconductors (aujourd'hui NXP Semiconductors) a développé le premier protocole I2C pour standardiser les communications entre puces sur un même PCB.

Contrairement à son homologue SPI, le protocole I2C ne dispose que de deux lignes de communication — hors lignes d'alimentation et de masse. Ces lignes sont :

• SDA : ligne de données série
• SCL : ligne d'horloge série

Vous pouvez connecter n'importe quel nombre de dispositifs maîtres et esclaves sur un même bus. Les lignes SCL et SDA doivent être maintenues en configuration open-drain. Vos dispositifs ne pourront ainsi tirer la ligne vers le bas qu'un à la fois. Une résistance de pull-up est nécessaire sur vos lignes pour les ramener à l'état haut.

Grâce à la conception open-drain de l'I2C, vous pouvez utiliser plusieurs maîtres sur le même bus. Si deux dispositifs contrôleurs commencent à communiquer simultanément, un arbitrage se produit et l'un des dispositifs cesse d'émettre.

Les dispositifs contrôleurs surveillent la ligne SDA pendant la communication. Si un dispositif détecte que la ligne SDA est basse alors qu'il transmet, il arrête l'envoi, permettant à un autre contrôleur de communiquer.

Le dispositif contrôleur I2C transmet une condition START pour initier la communication. La ligne SDA passe à l'état bas tandis que la ligne SCL reste haute.

Ensuite, le contrôleur transmet l'adresse 7 bits du destinataire visé et un bit de lecture (1) ou d'écriture (0). À ce stade, seul un dispositif sur le bus possédant l'adresse 7 bits correspondante répondra en tirant la ligne SDA vers le bas.

Différences entre I2C et SPI

SPI et I2C sont similaires car ce sont tous deux des protocoles « bas de gamme ». De plus, aucun ne possède la vitesse et les fonctionnalités de leurs homologues plus robustes (SATA, Ethernet, USB, etc.).

Examinons de plus près leurs différences de principe de fonctionnement et de fonctionnalités.

Vous pouvez configurer quatre modes différents sur le protocole SPI pour déterminer le fonctionnement de l'horloge. Pour que la communication fonctionne, le maître et l'esclave doivent utiliser le même mode :

1. Mode 0 : données échantillonnées sur front montant d'horloge, horloge au repos à l'état bas
2. Mode 1 : données échantillonnées sur front descendant d'horloge, horloge au repos à l'état bas
3. Mode 2 : données échantillonnées sur front descendant d'horloge, horloge au repos à l'état haut
4. Mode 3 : données échantillonnées sur front montant d'horloge, horloge au repos à l'état haut

Les vitesses de transfert SPI peuvent dépasser 10 Mbps, ce qui le rend idéal pour transférer de grandes quantités de données. On trouve des protocoles SPI sur des capteurs à taux de rafraîchissement rapide comme les écrans LCD et les accéléromètres.

L'I2C ne peut envoyer des données que par paquets d'un octet à la fois. Le périphérique récepteur doit acquitter chaque octet par un bit ACK. L'I2C propose trois modes aux vitesses de transfert différentes :

• Mode standard : maximum 100 kbps
• Mode rapide : maximum 400 kbps
• Mode haute vitesse : maximum 3,4 Mbps

L'I2C est donc significativement plus lent que le SPI. Les protocoles I2C conviennent mieux aux capteurs de température et convertisseurs analogique-numérique.

Comparaison I2C vs SPI

Le tableau ci-dessous résume les différences majeures :

Caractéristique	SPI	I2C
Mode de pilotage	Push-pull	Open-drain
Vitesse max.	Aucune limite théorique (10–100 Mbps courants)	100 kbps (standard), 400 kbps (rapide), 3,4 Mbps (haute vitesse)
Multi-maître	Non	Oui
Lignes de signal	4 (lignes supplémentaires par périphérique)	2
Nb de périphériques	Limité par les broches SS disponibles sur le maître	Max 112 avec adressage 7 bits
Contrôle de flux	Non	Oui

SPI vs I2C : Avantages et Inconvénients

SPI

Avantages

• Faible consommation d'énergie
• Communication full-duplex à haute vitesse

Inconvénients

• Versions et variantes personnalisées causant des problèmes de compatibilité
• Lignes de signal supplémentaires nécessaires pour plusieurs périphériques
• Communication courte distance uniquement, impossible entre cartes séparées

I2C

Avantages

• Pas de lignes supplémentaires pour contrôler plusieurs périphériques
• Peut transmettre vers d'autres PCB (à faible vitesse)
• Moins sensible au bruit
• Transmission sur de plus longues distances
• Moins coûteux que le SPI

Inconvénients

• Vitesses de transfert plus lentes que le SPI
• Consomme plus d'énergie que le SPI
• Le blocage du bus par un dispositif peut verrouiller tout le protocole I2C

Facteurs à Considérer pour Choisir entre SPI et I2C

Le choix ne se limite pas au prix. Voici les points clés :

Broches Limitées

Si vous utilisez un microcontrôleur avec peu de broches (moins de 100), privilégiez le protocole nécessitant le moins de lignes.

Consommation d'Énergie

Selon votre conception, vous voudrez minimiser ou maximiser la consommation. Choisissez le protocole adapté à vos besoins.

Vitesse

Pour transférer de gros volumes de données, chaque microseconde compte. Optez pour le protocole répondant à vos exigences de vitesse.

Taille du PCB

La taille de votre PCB influence le choix. Un PCB compact favorisera l'I2C avec ses deux lignes seulement.

Guide de Choix : SPI ou I2C ?

Critère	SPI	I2C
Vitesse	Meilleur choix pour transmissions haute vitesse	Idéal pour dispositifs basse vitesse
Taille PCB	Convient si la taille n'est pas contrainte	Préférable pour PCB compacts avec peu de pistes
Broches limitées	Acceptez d'ajouter des lignes supplémentaires	Choix idéal si vous voulez minimiser les pistes
Consommation	Pour dispositifs à faible consommation	Pour dispositifs tolérant une consommation plus élevée

Comprendre l'UART

Les UART sont des circuits physiques intégrés aux microcontrôleurs qui établissent une communication série entre dispositifs dans les systèmes embarqués.

La communication UART implique une liaison directe entre l'émetteur et le récepteur UART.

UART vs I2C vs SPI

Contrairement au SPI et à l'I2C, l'UART est purement physique et n'utilise pas le paradigma maître/esclave. Le microcontrôleur utilise deux dispositifs UART pour envoyer et recevoir des données. Seuls deux fils sont nécessaires : Tx de l'émetteur vers Rx du récepteur.

En Résumé

En pratique, les protocoles SPI et I2C sont utilisés dans de nombreuses applications. Parfois, un même composant intègre les deux interfaces, évitant tout choix.

Si vous devez choisir : le SPI est préférable pour les projets nécessitant des vitesses de transfert élevées. L'I2C est mieux adapté si votre microcontrôleur a peu de broches disponibles.

Des questions ? N'hésitez pas à nous contacter, nous serons ravis de vous aider.