嵌入式工程師詳解常用的IIC和SPI總線協(xié)議概念

IIC vs SPI

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(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

IIC 開發(fā)于1982年，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，只是一種事實標(biāo)準(zhǔn)，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(xì)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(dāng)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(dāng)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：

SPI有四種操作模式——模式0、模式1、模式2和模式3，它們的區(qū)別是定義了在時鐘脈沖的哪條邊沿轉(zhuǎn)換（toggles）輸出信號，哪條邊沿采樣輸入信號，還有時鐘脈沖的穩(wěn)定電平值（就是時鐘信號無效時是高還是低）。每種模式由一對參數(shù)刻畫，它們稱為時鐘極（clock polarity）CPOL與時鐘期（clock phase）CPHA。

［主從設(shè)備］必須使用相同的工作參數(shù)——SCLK、CPOL 和 CPHA，才能正常工作。如果有多個［從設(shè)備］，并且它們使用了不同的工作參數(shù)，那么［主設(shè)備］必須在讀寫不同［從設(shè)備］間重新配置這些參數(shù)。以上SPI總線協(xié)議的主要內(nèi)容。SPI不規(guī)定最大傳輸速率，沒有地址方案；SPI也沒規(guī)定通信應(yīng)答機制，沒有規(guī)定流控制規(guī)則。事實上，SPI［主設(shè)備］甚至并不知道指定的［從設(shè)備］是否存在。這些通信控制都得通過SPI協(xié)議以外自行實現(xiàn)。例如，要用SPI連接一支［命令-響應(yīng)控制型］解碼芯片，則必須在SPI的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高級的通信協(xié)議。SPI并不關(guān)心物理接口的電氣特性，例如信號的標(biāo)準(zhǔn)電壓。在最初，大多數(shù)SPI應(yīng)用都是使用間斷性時鐘脈沖和以字節(jié)為單位傳輸數(shù)據(jù)的，但現(xiàn)在有很多變種實現(xiàn)了連續(xù)性時間脈沖和任意長度的數(shù)據(jù)幀。

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(biāo)準(zhǔn)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）。