I2CとSPIの選び方：主要な違いを徹底解説

はじめに

プロジェクトを設計していて、I2CとSPIのどちらを選ぶべきか迷っていませんか？ どちらが自分のプロジェクトに適しているか判断できない場合、この記事が最適な選択をサポートします。

まず前提として、I2CとSPIはともに「ローエンド」の通信プロトコルですが、使いやすく、PCB上のチップ間通信には完璧に機能します。しかし、間違ったプロトコルを選んでしまうと、望ましくない結果を招く可能性があります。ここでは、この2つの似たプロトコルの違いをわかりやすく解説します。

SPIプロトコルとは？

SPI（Serial Peripheral Interface）は、1980年代にモトローラが開発したプロトコルで、当時のマイクロコントローラとEEPROMなどの周辺機器との通信を確立するために作られました。

SPIプロトコルは、電源とグラウンドを除いて4本の信号線を使用して通信を行います。4本のアクティブな信号線は以下の通りです：

• SS（Slave Select）： スレーブ選択線（マスターSPIが制御）
• MOSI（Master Out Slave In）： マスター出力・スレーブ入力（マスターSPIが制御）
• SCLK（Serial Clock）： シリアルクロック（マスターSPIが制御）
• MISO（Master In Slave Out）： マスター入力・スレーブ出力（マスターSPIデバイスが制御）

これら4本の線により、マスターSPI（制御デバイス）がスレーブSPI（周辺デバイス）と通信できます。

SPIバス上にはコントローラデバイス（マスター）は1つだけですが、ペリフェラル（スレーブ）の数に制限はありません。ペリフェラルを増やすにはSS線を追加します。以下は、3本の別々のSS線で異なるペリフェラルを制御する例です。

マスターSPIがペリフェラルと通信（データ送受信）したいとき、対応するSS線を「ロー（Low）」にプルダウンします。するとSCLK線がアクティブになり、設定された周波数でハイ・ローを繰り返します。マスターはMOSI線でデータを送出し、同時にMISO線でデータをサンプリングします。一度に通信できるのは1つのペリフェラルとマスターのみです。

I2Cプロトコルとは？

一方、I2C（Inter-Integrated Circuit）は1982年にフィリップスセミコンダクタ（現NXPセミコンダクタ）が開発し、1枚のPCB上のチップ間通信を体系化しました。

SPIと異なり、I2Cは電源とグラウンドを除いて2本の通信線のみを使用します：

• SDA（Serial Data）： シリアルデータ線
• SCL（Serial Clock）： シリアルクロック線

1本のバスに任意の数のマスターとスレーブを接続できます。SDAとSCLはオープンドレイン構成で、デバイスはラインを「ロー」にのみ駆動できます。そのため、ラインを「ハイ」に戻すためにプルアップ抵抗が必要です。

オープンドレイン設計のおかげで、I2Cでは同一バス上に複数のマスターを配置できます。2つのマスターが同時に通信を開始するとアービトレーション（仲裁）が発生し、一方が送信を停止します。マスターデバイスは通信中にSDA線を監視し、自分が送信中にSDAがローになっているのを検知したら送信を止め、他のマスターに譲ります。

通信開始時、マスターはSTARTコンディションを送信します（SDAがロー、SCLがハイの状態）。続いて、通信相手の7ビットアドレスと読み取りビット（1）または書き込みビット（0）を送信します。バス上のデバイスで、一致する7ビットアドレスを持つものだけがSDAをローにして応答（ACK）します。

I2CとSPIの主な違い

両プロトコルはともに「ローエンド」で、SATA、Ethernet、USBなどの高速プロトコルのような速度や機能は備えていません。しかし、動作原理と機能には明確な違いがあります。

SPIの動作モード

SPIにはクロックの極性と位相を決める4つのモード（モード0〜3）があり、マスターとスレーブは同じモードを使用する必要があります：

1. モード0：立ち上がりエッジでデータサンプリング、クロックはアイドル時にロー
2. モード1：立ち下がりエッジでデータサンプリング、クロックはアイドル時にロー
3. モード2：立ち下がりエッジでデータサンプリング、クロックはアイドル時にハイ
4. モード3：立ち上がりエッジでデータサンプリング、クロックはアイドル時にハイ

SPIのデータ転送速度は10 Mbpsを超えることもあり、大量データの転送に適しています。高速更新が必要なLCDや加速度センサーなどでよく使われます。

I2Cのデータ転送

I2Cは1バイトずつパケットで送信し、受信側は各バイトごとにACKビットで応答する必要があります。I2Cには異なる転送速度を持つ3つのモードがあります：

• 標準モード：最大 100 kbps
• ファストモード：最大 400 kbps
• ハイスピードモード：最大 3.4 Mbps

したがって、I2CはSPIより大幅に遅く、温度センサーやA/Dコンバーターなど、低速で問題ない用途に適しています。

I2CとSPIの比較表

機能	SPI	I2C
ピン駆動方式	プッシュプル	オープンドレイン
最大速度	規定なし（実測10〜100 Mbps）	100 kbps（標準） / 400 kbps（ファスト） / 3.4 Mbps（ハイスピード）
マルチマスター	不可	可
信号線数	4本（デバイス追加ごとにSS線が必要）	2本
接続可能ペリフェラル数	マスターのSS線用ピン数が上限	最大112台（7ビットアドレスの場合）
フロー制御	なし	あり（ACK/NACK）

SPIとI2Cのメリット・デメリット

SPI

メリット

• 消費電力が少ない
• 高速な全二重通信をサポート

デメリット

• バージョンやカスタム版が多く、互換性問題が起きやすい
• 複数ペリフェラル接続時にSS線が追加で必要
• 短距離通信のみ（基板間通信には不向き）

I2C

メリット

• 追加の信号線なしで複数デバイスを制御可能
• 基板間通信も可能（低速だが）
• ノイズ耐性が比較的高い
• 長距離伝送に向く
• SPIより低コスト

デメリット

• 転送速度がSPIより遅い
• SPIより消費電力が大きい
• 1台のデバイスがバスを解放しないとバス全体がロックアップする

選択時に考慮すべき要素

プロトコル選びは価格だけで決めるべきではありません。以下のポイントを検討してください。

ピン数の制約

100ピン以上のマイコンを使いたくない場合、通信に必要な配線数が少ないプロトコルを選ぶのが賢明です。I2Cは2本、SPIは最低4本（スレーブ増加でさらに増える）です。

消費電力

設計によっては消費電力を最小化/最大化したい場合があります。要件に合ったプロトコルを選びましょう。一般的にSPIの方が省電力です。

速度

大量データを転送するなら、1マイクロ秒単位で速度が重要です。高速が必要ならSPI、低速でよければI2Cです。

PCBサイズ

基板サイズが小さい場合、配線スペースを節約できるI2Cが有利です。余裕があればどちらでも構いません。

用途別おすすめプロトコル

要件	SPIが適しているケース	I2Cが適しているケース
速度	高速転送が必要な設計	低速デバイス向けの設計
PCBサイズ	基板サイズに余裕がある	小型基板で配線スペースが限られる
ピン数	追加配線を厭わない	配線を最小限に抑えたい
消費電力	低消費電力デバイス	高消費電力を許容できるデバイス

UARTの理解

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）は、組み込みシステムでデバイス間のシリアル通信を確立するための、ICやマイコン内部の物理回路です。UART通信では、送信側と受信側のUARTが直接通信します。マスター/スレーブの概念はなく、2本の線（TxとRx）だけでデータをやり取りします。

まとめ

実際の現場では、SPIとI2Cの両方が幅広く使われています。1つのチップに両方のインターフェースが搭載されていることも珍しくなく、その場合は選択の必要がありません。

しかし、どちらかを選ばなければならない場合：

• 高速転送が必要なら → SPI
• マイコンのピン数が限られるなら → I2C

ご質問があればお気軽にお問い合わせください。喜んでお手伝いします。