- 嵌入式工程師詳解常用的IIC和SPI總線協(xié)議概念

物理實現上，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的，參考下圖。IIC協(xié)議標準規(guī)定發(fā)起通信的設備稱為主設備，主設備發(fā)起一次通信后，其它設備均為從設備。

IIC 通信過程大概如下。首先，主設備發(fā)一個START信號，這個信號就像對所有其它設備喊：請大家注意！然后其它設備開始監(jiān)聽總線以準備接收數據。接著，主設備發(fā)送一個7位設備地址加一位的讀寫操作的數據幀。當所設備接收數據后，比對地址自己是否目標設備。如果比對不符，設備進入等待狀態(tài)，等待STOP信號的來臨；如果比對相符，設備會發(fā)送一個應答信號——ACKNOWLEDGE作回應。

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

基于IIC總線的物理結構，總線上的START和STOP信號必定是唯一的。另外，IIC總線標準規(guī)定SDA線的數據轉換必須在SCL線的低電平期，在SCL線的高電平期，SDA線的上數據是穩(wěn)定的。

在物理實現上，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設備對總線的操作僅有“把線路接地”——輸出邏輯0。

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

基于IIC總線的設計，線路上不可能出現電平沖突現象。如果一支設備發(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，如果出現電平沖突，發(fā)送邏輯0的始終是“贏家”。

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

10位設備地址

任何IIC設備都有一個7位地址，理論上，現實中只能有127種不同的IIC設備。實際上，已有IIC的設備種類遠遠多于這個限制，在一條總線上出現相同的地址的IIC設備的概率相當高。為了突破這個限制，很多設備使用了雙重地址——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”。

除了10位地址標識，標準還預留了一些地址碼用作其它用途，如下表：

時鐘拉伸

在 IIC 通信中，主設備決定了時鐘速度。因為時鐘脈沖信號是由主設備顯式發(fā)出的。但是，當從設備沒辦法跟上主設備的速度時，從設備需要一種機制來請求主設備慢一點。這種機制稱為時鐘拉伸，而基于I2C結構的特殊性，這種機制得到實現。當從設備需要降低傳輸的速度的時候，它可以按下時鐘線，逼迫主設備進入等待狀態(tài)，直到從設備釋放時鐘線，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的一些關鍵點：

第一，總線拓撲結構/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線還是要和從設備一對一根。另外，如果SPI要實現多主設備結構，總線系統(tǒng)需額外的邏輯和線路。用IIC 構建系統(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，數據吞吐/傳輸速度

如果應用中必須使用高速數據傳輸，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——用很輕盈的架構實現了多主設備仲裁和設備路由。但是對使用的工程師來講，理解總線結構更費勁，而且總線的性能不高。

SPI的優(yōu)點在于它的結構相當的直觀簡單，容易實現，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都對低速設備通信提供了很好的支持，不過，SPI適合數據流應用，而IIC更適合“字節(jié)設備”的多主設備應用。

小結

在數字通信協(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的存在和流行體現了“夠用就好”的哲學?；貞氖?，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。