嵌入式工程師詳解常用的IIC和SPI總線協(xié)議概念 - 全文

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）。

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(biāo)準(zhǔn)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。

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

當(dāng)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(dāng)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)。

基于IIC總線的物理結(jié)構(gòu)，總線上的START和STOP信號必定是唯一的。另外，IIC總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SDA線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必須在SCL線的低電平期，在SCL線的高電平期，SDA線的上數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的。

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(dāng)把線路接地時，線路為邏輯0，當(dāng)釋放線路，線路空閑時，線路為邏輯1?；谶@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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)識，約定是“11110”。

除了10位地址標(biāo)識，標(biāo)準(zhǔn)還預(yù)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(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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)/信號路由/硬件資源耗費

IIC 只需兩根信號線，而標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(rèn)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(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)。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(dá)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。“大”協(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)。回應(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。