I2C和SPI總線協(xié)議知識要點整理

現(xiàn)今，在低端數(shù)字通信應(yīng)用領(lǐng)域，我們隨處可見IIC (Inter-Integrated Circuit) 和 SPI (Serial Peripheral Interface)的身影。原因是這兩種通信協(xié)議非常適合近距離低速芯片間通信。Philips（for IIC）和Motorola（for SPI） 出于不同背景和市場需求制定了這兩種標準通信協(xié)議。

IIC 開發(fā)于1982年，當時是為了給電視機內(nèi)的CPU和外圍芯片提供更簡易的互聯(lián)方式。電視機是最早的嵌入式系統(tǒng)之一，而最初的嵌入系統(tǒng)是使用內(nèi)存映射（memory-mapped I/O）的方式來互聯(lián)微控制器和外圍設(shè)備的。要實現(xiàn)內(nèi)存映射，設(shè)備必須并聯(lián)入微控制器的數(shù)據(jù)線和地址線，這種方式在連接多個外設(shè)時需大量線路和額外地址解碼芯片，很不方便并且成本高。

為了節(jié)省微控制器的引腳和和額外的邏輯芯片，使印刷電路板更簡單，成本更低，位于荷蘭的Philips實驗室開發(fā)了 ‘Inter-Integrated Circuit’，IIC 或 IIC ，一種只使用二根線接連所有外圍芯片的總線協(xié)議。最初的標準定義總線速度為100kbps。經(jīng)歷幾次修訂，主要是1995年的400kbps，1998的3.4Mbps。

有跡象表明，SPI總線首次推出是在1979年，Motorola公司將SPI總線集成在他們第一支改自68000微處理器的微控制器芯片上。SPI總線是微控制器四線的外部總線（相對于內(nèi)部總線）。與IIC不同，SPI沒有明文標準，只是一種事實標準，對通信操作的實現(xiàn)只作一般的抽象描述，芯片廠商與驅(qū)動開發(fā)者通過data sheets和application notes溝通實現(xiàn)上的細節(jié)。

SPI

對于有經(jīng)驗的數(shù)字電子工程師來說，用SPI互聯(lián)兩支數(shù)字設(shè)備是相當直觀的。SPI是種四根信號線協(xié)議（如圖）：

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［單主設(shè)備（ single-master ）］通信協(xié)議，這意味著總線中的只有一支中心設(shè)備能發(fā)起通信。當SPI主設(shè)備想讀/寫［從設(shè)備］時，它首先拉低［從設(shè)備］對應(yīng)的SS線（SS是低電平有效），接著開始發(fā)送工作脈沖到時鐘線上，在相應(yīng)的脈沖時間上，［主設(shè)備］把信號發(fā)到MOSI實現(xiàn)“寫”，同時可對MISO采樣而實現(xiàn)“讀”，如下圖：

IIC

與SPI的單主設(shè)備不同，IIC 是多主設(shè)備的總線，IIC沒有物理的芯片選擇信號線，沒有仲裁邏輯電路，只使用兩條信號線—— ‘serial data’ (SDA) 和 ‘serial clock’ (SCL)。IIC協(xié)議規(guī)定：

第一，每一支IIC設(shè)備都有一個唯一的七位設(shè)備地址；

第二，數(shù)據(jù)幀大小為8位的字節(jié)；

第三，數(shù)據(jù)（幀）中的某些數(shù)據(jù)位用于控制通信的開始、停止、方向（讀寫）和應(yīng)答機制。

IIC 數(shù)據(jù)傳輸速率有標準模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些變種實現(xiàn)了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。

物理實現(xiàn)上，IIC 總線由兩根信號線和一根地線組成。兩根信號線都是雙向傳輸?shù)?，參考下圖。IIC協(xié)議標準規(guī)定發(fā)起通信的設(shè)備稱為主設(shè)備，主設(shè)備發(fā)起一次通信后，其它設(shè)備均為從設(shè)備。

當主設(shè)備收到應(yīng)答后便開始傳送或接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀大小為8位，尾隨一位的應(yīng)答信號。主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備應(yīng)答；相反主設(shè)備接數(shù)據(jù)，主設(shè)備應(yīng)答。當數(shù)據(jù)傳送完畢，主設(shè)備發(fā)送一個STOP信號，向其它設(shè)備宣告釋放總線，其它設(shè)備回到初始狀態(tài)。

在物理實現(xiàn)上，SCL線和SDA線都是漏極開路（open-drain），通過上拉電阻外加一個電壓源。當把線路接地時，線路為邏輯0，當釋放線路，線路空閑時，線路為邏輯1。基于這些特性，IIC設(shè)備對總線的操作僅有“把線路接地”——輸出邏輯0。

IIC總線設(shè)計只使用了兩條線，但相當優(yōu)雅地實現(xiàn)任意數(shù)目設(shè)備間無縫通信，堪稱完美。我們設(shè)想一下，如果有兩支設(shè)備同時向SCL線和SDA線發(fā)送信息會出現(xiàn)什么情況。

基于IIC總線的設(shè)計，線路上不可能出現(xiàn)電平?jīng)_突現(xiàn)象。如果一支設(shè)備發(fā)送邏輯0，其它發(fā)送邏輯1，那么線路看到的只有邏輯0。也就是說，如果出現(xiàn)電平?jīng)_突，發(fā)送邏輯0的始終是“贏家”。

總線的物理結(jié)構(gòu)亦允許主設(shè)備在往總線寫數(shù)據(jù)的同時讀取數(shù)據(jù)。這樣，任何設(shè)備都可以檢測沖突的發(fā)生。當兩支主設(shè)備競爭總線的時候，“贏家”并不知道競爭的發(fā)生，只有“輸家”發(fā)現(xiàn)了沖突——當它寫一個邏輯1，卻讀到0時——而退出競爭。

10位設(shè)備地址

任何IIC設(shè)備都有一個7位地址，理論上，現(xiàn)實中只能有127種不同的IIC設(shè)備。實際上，已有IIC的設(shè)備種類遠遠多于這個限制，在一條總線上出現(xiàn)相同的地址的IIC設(shè)備的概率相當高。為了突破這個限制，很多設(shè)備使用了雙重地址——7位地址加引腳地址（external configuration pins）。IIC 標準也預(yù)知了這種限制，提出10位的地址方案。

10位的地址方案對 IIC協(xié)議的影響有兩點：

第一，地址幀為兩個字節(jié)長，原來的是一個字節(jié)；第二，第一個字節(jié)前五位最高有效位用作10位地址標識，約定是“11110”。

時鐘拉伸

在 IIC 通信中，主設(shè)備決定了時鐘速度。因為時鐘脈沖信號是由主設(shè)備顯式發(fā)出的。但是，當從設(shè)備沒辦法跟上主設(shè)備的速度時，從設(shè)備需要一種機制來請求主設(shè)備慢一點。這種機制稱為時鐘拉伸，而基于I2C結(jié)構(gòu)的特殊性，這種機制得到實現(xiàn)。當從設(shè)備需要降低傳輸?shù)乃俣鹊臅r候，它可以按下時鐘線，逼迫主設(shè)備進入等待狀態(tài)，直到從設(shè)備釋放時鐘線，通信才繼續(xù)。

高速模式

原理上講，使用上拉電阻來設(shè)置邏輯1會限制總線的最大傳輸速度。而速度是限制總線應(yīng)用的因素之一。這也說明為什么要引入高速模式（3.4 Mbps）。在發(fā)起一次高速模式傳輸前，主設(shè)備必須先在低速的模式下（例如快速模式）發(fā)出特定的“High Speed Master”信號。為縮短信號的周期和提高總線速度，高速模式必須使用額外的I/O緩沖區(qū)。另外，總線仲裁在高速模式下可屏蔽掉。更多的信息請參與總線標準文檔。

IIC vs SPI: 哪位是贏家？

我們來對比一下IIC 和 SPI的一些關(guān)鍵點：

第一，總線拓撲結(jié)構(gòu)/信號路由/硬件資源耗費

IIC 只需兩根信號線，而標準SPI至少四根信號，如果有多個從設(shè)備，信號需要更多。一些SPI變種雖然只使用三根線——SCLK, SS和雙向的MISO/MOSI，但SS線還是要和從設(shè)備一對一根。另外，如果SPI要實現(xiàn)多主設(shè)備結(jié)構(gòu)，總線系統(tǒng)需額外的邏輯和線路。用IIC 構(gòu)建系統(tǒng)總線唯一的問題是有限的7位地址空間，但這個問題新標準已經(jīng)解決——使用10位地址。從第一點上看，IIC是明顯的大贏家。

第二，數(shù)據(jù)吞吐/傳輸速度

如果應(yīng)用中必須使用高速數(shù)據(jù)傳輸，那么SPI是必然的選擇。因為SPI是全雙工，IIC 的不是。SPI沒有定義速度限制，一般的實現(xiàn)通常能達到甚至超過10 Mbps。IIC 最高的速度也就快速+模式（1 Mbps）和高速模式（3.4 Mbps），后面的模式還需要額外的I/O緩沖區(qū)，還并不是總是容易實現(xiàn)的。

第三，優(yōu)雅性

IIC 常被稱更優(yōu)雅于SPI。公正的說，我們更傾向于認為兩者同等優(yōu)雅和健壯。IIC的優(yōu)雅在于它的特色——用很輕盈的架構(gòu)實現(xiàn)了多主設(shè)備仲裁和設(shè)備路由。但是對使用的工程師來講，理解總線結(jié)構(gòu)更費勁，而且總線的性能不高。SPI的優(yōu)點在于它的結(jié)構(gòu)相當?shù)闹庇^簡單，容易實現(xiàn)，并且有很好擴展性。SPI的簡單性不足稱其優(yōu)雅，因為要用SPI搭建一個有用的通信平臺，還需要在SPI之上構(gòu)建特定的通信協(xié)議軟件。也就是說要想獲得SPI特有而IIC沒有的特性——高速性能，工程師們需要付出更多的勞動。另外，這種自定的工作是完全自由的，這也說明為什么SPI沒有官方標準。IIC和SPI都對低速設(shè)備通信提供了很好的支持，不過，SPI適合數(shù)據(jù)流應(yīng)用，而IIC更適合“字節(jié)設(shè)備”的多主設(shè)備應(yīng)用。

小結(jié)

在數(shù)字通信協(xié)議簇中，IIC和SPI常稱為“小”協(xié)議，相對Ethernet, USB, SATA, PCI-Express等傳輸速度達數(shù)百上千兆字節(jié)每秒的總線。但是，我們不能忘記的是各種總線的用途是什么?！按蟆眳f(xié)議是用于系統(tǒng)外的整個系統(tǒng)之間通信的，“小”協(xié)議是用于系統(tǒng)內(nèi)各芯片間的通信，沒有跡象表明“大”協(xié)議有必要取代“小”協(xié)議。IIC和SPI的存在和流行體現(xiàn)了“夠用就好”的哲學(xué)?；貞?yīng)文首，IIC和SPI如此的流行，它是任何一位嵌入式工程師必備的工具。