一文讲透I2C和SPI总线协议

shuszhao · 发表于 2017-12-22 18:07:51

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现今，在低端数字通信应用领域，我们随处可见IIC (Inter-Integrated Circuit) 和 SPI (Serial Peripheral Interface)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（for IIC）和Motorola（for SPI）出于不同背景和市场需求制定了这两种标准通信协议。
IIC 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-mapped I/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 ‘Inter-Integrated Circuit’，IIC 或 IIC ，一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（相对于内部总线）。与IIC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data sheets和application notes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）：

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SCLK: Serial Clock (output from master);MOSI; SIMO: Master Output, Slave Input(output from master);MISO; SOMI: Master Input, Slave Output(output from slave);SS: Slave Select (active low, outputfrom master).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：

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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（clock polarity）CPOL与时钟期（clock phase）CPHA。

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［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。
IIC
与SPI的单主设备不同，IIC 是多主设备的总线，IIC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—— ‘serial data’ (SDA) 和 ‘serial clock’ (SCL)。IIC协议规定：

IIC 数据传输速率有标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些变种实现了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。
物理实现上，IIC 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。IIC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。

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IIC 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——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。

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基于IIC总线的物理结构，总线上的START和STOP信号必定是唯一的。另外，IIC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。

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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。
IIC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IIC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IIC设备都有一个7位地址，理论上，现实中只能有127种不同的IIC设备。实际上，已有IIC的设备种类远远多于这个限制，在一条总线上出现相同的地址的IIC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（external configuration pins）。IIC 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 IIC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”。

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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：

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时钟拉伸
在 IIC 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（3.4 Mbps）。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“High Speed Master”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。
IIC vs SPI: 哪位是赢家？
我们来对比一下IIC 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
IIC 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IIC 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，IIC是明显的大赢家。
第二，数据吞吐/传输速度
如果应用中必须使用高速数据传输，那么SPI是必然的选择。因为SPI是全双工，IIC 的不是。SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps。IIC 最高的速度也就快速+模式（1 Mbps）和高速模式（3.4 Mbps），后面的模式还需要额外的I/O缓冲区，还并不是总是容易实现的。
第三，优雅性
IIC 常被称更优雅于SPI。公正的说，我们更倾向于认为两者同等优雅和健壮。IIC的优雅在于它的特色——用很轻盈的架构实现了多主设备仲裁和设备路由。但是对使用的工程师来讲，理解总线结构更费劲，而且总线的性能不高。
SPI的优点在于它的结构相当的直观简单，容易实现，并且有很好扩展性。SPI的简单性不足称其优雅，因为要用SPI搭建一个有用的通信平台，还需要在SPI之上构建特定的通信协议软件。也就是说要想获得SPI特有而IIC没有的特性——高速性能，工程师们需要付出更多的劳动。另外，这种自定的工作是完全自由的，这也说明为什么SPI没有官方标准。IIC和SPI都对低速设备通信提供了很好的支持，不过，SPI适合数据流应用，而IIC更适合“字节设备”的多主设备应用。
小结
在数字通信协议簇中，IIC和SPI常称为“小”协议，相对Ethernet, USB, SATA, PCI-Express等传输速度达数百上千兆字节每秒的总线。但是，我们不能忘记的是各种总线的用途是什么。“大”协议是用于系统外的整个系统之间通信的，“小”协议是用于系统内各芯片间的通信，没有迹象表明“大”协议有必要取代“小”协议。IIC和SPI的存在和流行体现了“够用就好”的哲学。回应文首，IIC和SPI如此的流行，它是任何一位嵌入式工程师必备的工具。