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(jiàn)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(chǎng)需求制定了這兩種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

IIC 開(kāi)發(fā)于1982年，當(dāng)時(shí)是為了給電視機(jī)內(nèi)的CPU和外圍芯片提供更簡(jiǎn)易的互聯(lián)方式。電視機(jī)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(lái)互聯(lián)微控制器和外圍設(shè)備的。要實(shí)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(gè)外設(shè)時(shí)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(jiǎn)單，成本更低，位于荷蘭的Philips實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(duì)于內(nèi)部總線）。與IIC不同，SPI沒(méi)有明文標(biāo)準(zhǔn)，只是一種事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)通信操作的實(shí)現(xiàn)只作一般的抽象描述，芯片廠商與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)者通過(guò)data sheets和application notes溝通實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)。

SPI

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字電子工程師來(lái)說(shuō)，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(hào)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(xiě)［從設(shè)備］時(shí)，它首先拉低［從設(shè)備］對(duì)應(yīng)的SS線（SS是低電平有效），接著開(kāi)始發(fā)送工作脈沖到時(shí)鐘線上，在相應(yīng)的脈沖時(shí)間上，［主設(shè)備］把信號(hào)發(fā)到MOSI實(shí)現(xiàn)“寫(xiě)”，同時(shí)可對(duì)MISO采樣而實(shí)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(shí)鐘脈沖的哪條邊沿轉(zhuǎn)換（toggles）輸出信號(hào)，哪條邊沿采樣輸入信號(hào)，還有時(shí)鐘脈沖的穩(wěn)定電平值（就是時(shí)鐘信號(hào)無(wú)效時(shí)是高還是低）。每種模式由一對(duì)參數(shù)刻畫(huà)，它們稱(chēng)為時(shí)鐘極（clock polarity）CPOL與時(shí)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(gè)［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(xiě)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(méi)有地址方案；SPI也沒(méi)規(guī)定通信應(yīng)答機(jī)制，沒(méi)有規(guī)定流控制規(guī)則。事實(shí)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(guò)SPI協(xié)議以外自行實(shí)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(shí)現(xiàn)更高級(jí)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(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)了連續(xù)性時(shí)間脈沖和任意長(zhǎng)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(méi)有物理的芯片選擇信號(hào)線，沒(méi)有仲裁邏輯電路，只使用兩條信號(hào)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(gè)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(kāi)始、停止、方向（讀寫(xiě)）和應(yīng)答機(jī)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(shí)現(xiàn)了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。

物理實(shí)現(xiàn)上，IIC 總線由兩根信號(hào)線和一根地線組成。兩根信號(hào)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(chēng)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(guò)程大概如下。首先，主設(shè)備發(fā)一個(gè)START信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就像對(duì)所有其它設(shè)備喊：請(qǐng)大家注意！然后其它設(shè)備開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)總線以準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。接著，主設(shè)備發(fā)送一個(gè)7位設(shè)備地址加一位的讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)所設(shè)備接收數(shù)據(jù)后，比對(duì)地址自己是否目標(biāo)設(shè)備。如果比對(duì)不符，設(shè)備進(jìn)入等待狀態(tài)，等待STOP信號(hào)的來(lái)臨；如果比對(duì)相符，設(shè)備會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)——ACKNOWLEDGE作回應(yīng)。

當(dāng)主設(shè)備收到應(yīng)答后便開(kāi)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(hào)。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(gè)STOP信號(hào)，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(hào)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(shí)現(xiàn)上，SCL線和SDA線都是漏極開(kāi)路（open-drain），通過(guò)上拉電阻外加一個(gè)電壓源。當(dāng)把線路接地時(shí)，線路為邏輯0，當(dāng)釋放線路，線路空閑時(shí)，線路為邏輯1?；谶@些特性，IIC設(shè)備對(duì)總線的操作僅有“把線路接地”——輸出邏輯0。

IIC總線設(shè)計(jì)只使用了兩條線，但相當(dāng)優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)任意數(shù)目設(shè)備間無(wú)縫通信，堪稱(chēng)完美。我們?cè)O(shè)想一下，如果有兩支設(shè)備同時(shí)向SCL線和SDA線發(fā)送信息會(huì)出現(xiàn)什么情況。

基于IIC總線的設(shè)計(jì)，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(shuō)，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(xiě)數(shù)據(jù)的同時(shí)讀取數(shù)據(jù)。這樣，任何設(shè)備都可以檢測(cè)沖突的發(fā)生。當(dāng)兩支主設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)總線的時(shí)候，“贏家”并不知道競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)生，只有“輸家”發(fā)現(xiàn)了沖突——當(dāng)它寫(xiě)一個(gè)邏輯1，卻讀到0時(shí)——而退出競(jìng)爭(zhēng)。

10位設(shè)備地址

任何IIC設(shè)備都有一個(gè)7位地址，理論上，現(xiàn)實(shí)中只能有127種不同的IIC設(shè)備。實(shí)際上，已有IIC的設(shè)備種類(lèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于這個(gè)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(gè)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(duì) IIC協(xié)議的影響有兩點(diǎn)：

第一，地址幀為兩個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，原來(lái)的是一個(gè)字節(jié)；

第二，第一個(gè)字節(jié)前五位最高有效位用作10位地址標(biāo)識(shí)，約定是“11110”。

除了10位地址標(biāo)識(shí)，標(biāo)準(zhǔn)還預(yù)留了一些地址碼用作其它用途，如下表：

時(shí)鐘拉伸

在 IIC 通信中，主設(shè)備決定了時(shí)鐘速度。因?yàn)闀r(shí)鐘脈沖信號(hào)是由主設(shè)備顯式發(fā)出的。但是，當(dāng)從設(shè)備沒(méi)辦法跟上主設(shè)備的速度時(shí)，從設(shè)備需要一種機(jī)制來(lái)請(qǐng)求主設(shè)備慢一點(diǎn)。這種機(jī)制稱(chēng)為時(shí)鐘拉伸，而基于I2C結(jié)構(gòu)的特殊性，這種機(jī)制得到實(shí)現(xiàn)。當(dāng)從設(shè)備需要降低傳輸?shù)乃俣鹊臅r(shí)候，它可以按下時(shí)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(shí)鐘線，通信才繼續(xù)。

高速模式

原理上講，使用上拉電阻來(lái)設(shè)置邏輯1會(huì)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(shuō)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(hào)。為縮短信號(hào)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(qǐng)參與總線標(biāo)準(zhǔn)文檔。

IIC vs SPI： 哪位是贏家？

我們來(lái)對(duì)比一下IIC 和 SPI的一些關(guān)鍵點(diǎn)：

第一，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/信號(hào)路由/硬件資源耗費(fèi)

IIC 只需兩根信號(hào)線，而標(biāo)準(zhǔn)SPI至少四根信號(hào)，如果有多個(gè)從設(shè)備，信號(hào)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(duì)一根。另外，如果SPI要實(shí)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(wèn)題是有限的7位地址空間，但這個(gè)問(wèn)題新標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)解決——使用10位地址。從第一點(diǎn)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?yàn)镾PI是全雙工，IIC 的不是。SPI沒(méi)有定義速度限制，一般的實(shí)現(xiàn)通常能達(dá)到甚至超過(guò)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(shí)現(xiàn)的。

第三，優(yōu)雅性

IIC 常被稱(chēng)更優(yōu)雅于SPI。公正的說(shuō)，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(shí)現(xiàn)了多主設(shè)備仲裁和設(shè)備路由。但是對(duì)使用的工程師來(lái)講，理解總線結(jié)構(gòu)更費(fèi)勁，而且總線的性能不高。

SPI的優(yōu)點(diǎn)在于它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)闹庇^簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，并且有很好擴(kuò)展性。SPI的簡(jiǎn)單性不足稱(chēng)其優(yōu)雅，因?yàn)橐肧PI搭建一個(gè)有用的通信平臺(tái)，還需要在SPI之上構(gòu)建特定的通信協(xié)議軟件。也就是說(shuō)要想獲得SPI特有而IIC沒(méi)有的特性——高速性能，工程師們需要付出更多的勞動(dòng)。另外，這種自定的工作是完全自由的，這也說(shuō)明為什么SPI沒(méi)有官方標(biāo)準(zhǔn)。IIC和SPI都對(duì)低速設(shè)備通信提供了很好的支持，不過(guò)，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(chēng)為“小”協(xié)議，相對(duì)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?！按蟆眳f(xié)議是用于系統(tǒng)外的整個(gè)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(méi)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。