I2C总线和SPI总线总结

1、ICSPII2CvsSPI现今，在低端数字通信应用领域，我们随处可见PC(Inter-lntegratedCircuit)和SPI(SerialPeripheralInterface)的身影。原因是这两种通信协议非常适合近距离低速芯片间通信。Philips(forPC)和Motorola(forSPI)出于不同背景和市场需求制定了这两种标准通信协议。I2C开发于1982年，当时是为了给电视机内的CPU和外围芯片提供更简易的互联方式。电视机是最早的嵌入式系统之一，而最初的嵌入系统是使用内存映射(memory-mappedI/O)的方式来互联微控制器和外围设备的。要实现内存映射，设备必须并联入微控

2、制器的数据线和地址线，这种方式在连接多个外设时需大量线路和额外地址解码芯片，很不方便并且成本高。为了节省微控制器的引脚和和额外的逻辑芯片，使印刷电路板更简单，成本更低，位于荷兰的Philips实验室开发了IntekntegratedCircuit，IIC或PC，种只使用二根线接连所有外围芯片的总线协议。最初的标准定义总线速度为100kbps。经历几次修订，主要是1995年的400kbps，1998的3.4Mbps。有迹象表明，SPI总线首次推出是在1979年，Motorola公司将SPI总线集成在他们第一支改自68000微处理器的微控制器芯片上。SPI总线是微控制器四线的外部总线(相对于内部总

3、线)。与I2C不同，SPI没有明文标准，只是一种事实标准，对通信操作的实现只作一般的抽象描述，芯片厂商与驱动开发者通过datasheets和applicationnotes沟通实现上的细节。SPI对于有经验的数字电子工程师来说，用SPI互联两支数字设备是相当直观的。SPI是种四根信号线协议(如图)：SCLK:SerialClock(outputfrommaster);MOSI;SIMO:MasterOutput,SlaveInput(outputfrommaster);MISO;SOMI:MasterInput,SlaveOutput(outputfromslave);SS:SlaveSele

4、ct(activelow,outputfrommaster).SPI是单主设备(single-master)通信协议，这意味着总线中的只有一支中心设备能发起通信。当SPI主设备想读/写从设备时，它首先拉低从设备对应的SS线(SS是低电平有效)，接着开始发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到MOSI实现“写”，同时可对MISO采样而实现“读”，如下图：Figure2;AsirmpieSPIcomnunioation.DatabitsonMOS1andMISOtoggleontheSCLK佰川npedgeandaresampl&dontheSCLKrisingedge.The

5、SPImodedefineswhichSCLKedgeisusedfortogglingd自诗andwhtchSCLKedgeisusedforsamplingdata.SPI有四种操作模式模式0、模式1、模式2和模式3,它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换(toggles)输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值(就是时钟信号无效时是高还是低)。每种模式由一对参数刻画，它们称为时钟极(clockpolarity)CPOL与时钟期(clockphase)CPHA。Mode0CPQL=0CPHA=d1Togglingedge1Mode2Mode0CPQL=0CPHA=d1T

6、ogglingedge1Mode2ICPOL=1=CPHA-0I|SamplingedgeIISLCKIdlel包v目highMode7CPHA=fTogglingedgeMode3CPOL=1CPHA=15LCKidtelevdluwSLCKidlelevelhigh5LCKidtelevdluwFigure3:SPImodesaredefinedwiththeparametersCPOU-clockpclarilyandCPHA-dockphasewhichexpllicitlydefine3perameter.theedgesusedfardatasamplinganddeltatogg

7、lingandtne8GLc!ocksignaidlelezs-Ihatthecanventionall&v3CLKis$耳tvh&nth*busisnotintjampnunicaton.主从设备必须使用相同的工作参数SCLK、CPOL和CPHA，才能正常工作。如果有多个从设备，并且它们使用了不同的工作参数，那么主设备必须在读写不同从设备间重新配置这些参数。以上SPI总线协议的主要内容。SPI不规定最大传输速率，没有地址方案；SPI也没规定通信应答机制，没有规定流控制规则。事实上，SPI主设备甚至并不知道指定的从设备是否存在。这些通信控制都得通过SPI协议以外自行实现。例如，要用SPI连接一

8、支命令-响应控制型解码芯片，则必须在SPI的基础上实现更高级的通信协议。SPI并不关心物理接口的电气特性，例如信号的标准电压。在最初，大多数SPI应用都是使用间断性时钟脉冲和以字节为单位传输数据的，但现在有很多变种实现了连续性时间脉冲和任意长度的数据帧。I2C与SPI的单主设备不同，PC是多主设备的总线，PC没有物理的芯片选择信号线，没有仲裁逻辑电路，只使用两条信号线serialdata(SDA)和serialclock，(SCL)。PC协议规定：第一，每一支IIC设备都有一个唯一的七位设备地址；第二，数据帧大小为8位的字节；第三，数据（帧）中的某些数据位用于控制通信的开始、停止、方向（读写）

9、和应答机制。I2C数据传输速率有标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）和高速模式（3.4Mbps），另外一些变种实现了低速模式（10kbps）和快速+模式（1Mbps）。物理实现上，I2C总线由两根信号线和一根地线组成。两根信号线都是双向传输的，参考下图。I2C协议标准规定发起通信的设备称为主设备，主设备发起一次通信后，其它设备均为从设备。Figure4:FCbuswilTi2devicesconnected.SDAand8CLareconnectedtoFigure4:FCbuswilTi2devicesconnected.SDAand8CLareconnectedtoVCC

10、ttirougJipull-upresisEo-rs.EachdeviceoontreUiulinesdutputswithopendisinbuffers-.I2C通信过程大概如下。首先，主设备发一个START信号，这个信号就像对所有其它设备喊：请大家注意！然后其它设备开始监听总线以准备接收数据。接着，主设备发送一个7位设备地址加一位的读写操作的数据帧。当所设备接收数据后比对地址自己是否目标设备。如果比对不符，设备进入等待状态，等待STOP信号的来临；如果比对相符，设备会发送一个应答信号一ACKNOWLEDGE作回应。当主设备收到应答后便开始传送或接收数据。数据帧大小为8位，尾随一位的应答信

11、号。主设备发送数据，从设备应答；相反主设备接数据，主设备应答。当数据传送完毕，主设备发送一个STOP信号，向其它设备宣告释放总线，其它设备回到初始状态。STARTSiaveaddressRd/nWrACKDataACKDataACKSTOP1bitTbits1M1bit8bSs1bit3bits1bit1bitExample1;wnting2bytetoaThedetaputonthebu5bythemasterareshadedSTARTSlaveaddress00Data0DataSTOP1bit7bits1bit1bit8bits1bit3bits1bit1bitExample2:rea

12、ding2bytesfromaslave.ThedataputonthebusbythemasterareshadedSTARTSlaveaddress10Data0Data1STOP1bit7bits1bit1bitBbits1bitSbits1bil1bitFigures；Typical|3Ctranafar,with2ofdata.Themasterinttiatestheteari$farwithaSTARTcondition,followedbytheslaveaddressandthetransfertype(readorwritebit.Theslavea匚knowledgesi

13、tsaddressrEachdatabyteisthentransmittedandad(门owimdgmdbythereceiver.Whenitdatathsmastercanisuaanct-acknowl&dgeconditionNACK)whenithasr色七商卩自日enoughdata.TheI山isreleasedwhenthemasteissuesaSTOPcondition.基于I2C总线的物理结构，总线上的START和STOP信号必定是唯一的。另外，I2C总线标准规定SDA线的数据转换必须在SCL线的低电平期，在SCL线的高电平期，SDA线的上数据是稳定的。/pXSDAS

14、CLIDA17LIMEISTABLE:IDATAVALIDCHANGEOFDATAALLOWEDL_S/pXSDASCLIDA17LIMEISTABLE:IDATAVALIDCHANGEOFDATAALLOWEDL_S_JSTARTCONDITiOMSTOPCONDITION厂SDASCLSDASCL在物理实现上，SCL线和SDA线都是漏极开路(open-drain),通过上拉电阻外加一个电压源。当把线路接地时，线路为逻辑0，当释放线路，线路空闲时，线路为逻辑1。基于这些特性，IIC设备对总线的操作仅有“把线路接地”-输出逻辑0。I2C总线设计只使用了两条线，但相当优雅地实现任意数目设备间无缝

15、通信，堪称完美。我们设想一下，如果有两支设备同时向SCL线和SDA线发送信息会出现什么情况。基于I2C总线的设计，线路上不可能出现电平冲突现象。如果一支设备发送逻辑0，其它发送逻辑1，那么线路看到的只有逻辑0。也就是说，如果出现电平冲突，发送逻辑0的始终是“赢家”。总线的物理结构亦允许主设备在往总线写数据的同时读取数据。这样，任何设备都可以检测冲突的发生。当两支主设备竞争总线的时候，“赢家”并不知道竞争的发生，只有“输家”发现了冲突当它写一个逻辑1，却读到0时而退出竞争。10位设备地址任何lie设备都有一个7位地址，理论上,现实中只能有127种不同的lie设备。实际上，已有lie的设备种类远远

16、多于这个限制，在一条总线上出现相同的地址的lie设备的概率相当高。为了突破这个限制，很多设备使用了双重地址7位地址加引脚地址(externalconfigurationpins)。I2C标准也预知了这种限制，提出10位的地址方案。10位的地址方案对l2e协议的影响有两点：第一，地址帧为两个字节长，原来的是一个字节；第二，第一个字节前五位最高有效位用作10位地址标识，约定是“11110”。A7A4A0Figure7;PC10-b-itsaddressing.AXD-bikissplitinto2vroA7A4A0Figure7;PC10-b-itsaddressing.AXD-bikisspli

17、tinto2vro闭畀Thefirstwardwn切inweconventionalcod-eonits5mastsignificantbitstomarka10-bitsaddress,toilowecibythe2MSBsofthe10-biisaddressandtheRd/nWRbit.Th&s-ecorDdaddressconwinstheGleansignificantbiisofThe10-bitsad-dress.ThisadditicrensuresbackwardcompatiNlitvwiththe7-biTiaddressingscheme.START11110A9A6

18、FirstaddressvordSec-ondaddresswordASAfiA7A6A5A42AlAO10bitsaddress:除了10位地址标识，标准还预留了一些地址码用作其它用途，如下表：Table1:lzCaddressesreservedforspecialpuposesTable1:lzCaddressesreservedforspecialpuposesAddressPurpose00000000GeneralCall-addressesalldevi匚吕wsupportingthegenera1callmode00000001StartByte0000001XCBUSacfd

19、ress&s0000010XReservedfordifferentbusFcrnnats00QQQL1XReservedforfuturepurpuse000Q1XXXMaster11110XXX10-bitsslaveaddressinglllllXXXReservedforfuturepurpcsas时钟拉伸在PC通信中，主设备决定了时钟速度。因为时钟脉冲信号是由主设备显式发出的。但是，当从设备没办法跟上主设备的速度时，从设备需要一种机制来请求主设备慢一点。这种机制称为时钟拉伸，而基于I2C结构的特殊性，这种机制得到实现。当从设备需要降低传输的速度的时候，它可以按下时钟线，逼迫主设备进入

20、等待状态，直到从设备释放时钟线，通信才继续。高速模式原理上讲，使用上拉电阻来设置逻辑1会限制总线的最大传输速度。而速度是限制总线应用的因素之一。这也说明为什么要引入高速模式(3.4Mbps)。在发起一次高速模式传输前，主设备必须先在低速的模式下(例如快速模式)发出特定的“HighSpeedMaster”信号。为缩短信号的周期和提高总线速度，高速模式必须使用额外的I/O缓冲区。另外，总线仲裁在高速模式下可屏蔽掉。更多的信息请参与总线标准文档。I2CvsSPI:明M立是赢家?我们来对比一下FC和SPI的一些关键点:第一，总线拓扑结构/信号路由/硬件资源耗费PC只需两根信号线，而标准SPI至少四根信号，如果有多个从设备，信号需要更多。一些SPI变种虽然只使用三根线SCLK,SS和双向的MISO/MOSI,但SS线还是要和从设备一对一根。另外，如果SPI要实现多主设备结构，总线系统需额外的逻辑和线路。用I2C构建系统总线唯一的问题是有限的7位地址空间，但这个问题新标准已经解决使用10位地址。从第一点上看，PC是明显的大赢家。第二，数据吞吐/传输速度女口果应用中必须使用高速数