28335接两个spi设备_嵌入式开发必备：I2C和SPI总线协议，到底该用哪个？

IIC vs SPI
现今&＃xff0c;在低端数字通信应用领域&＃xff0c;我们随处可见IIC (Inter-Integrated Circuit) 和 SPI (Serial Peripheral Interface)的身影。原因是这两种通信协议非常适合近距离低速芯片间通信。Philips&＃xff08;for IIC&＃xff09;和Motorola&＃xff08;for SPI&＃xff09; 出于不同背景和市场需求制定了这两种标准通信协议。
IIC 开发于1982年&＃xff0c;当时是为了给电视机内的CPU和外围芯片提供更简易的互联方式。电视机是最早的嵌入式系统之一&＃xff0c;而最初的嵌入系统是使用内存映射&＃xff08;memory-mapped I/O&＃xff09;的方式来互联微控制器和外围设备的。要实现内存映射&＃xff0c;设备必须并联入微控制器的数据线和地址线&＃xff0c;这种方式在连接多个外设时需大量线路和额外地址解码芯片&＃xff0c;很不方便并且成本高。
为了节省微控制器的引脚和和额外的逻辑芯片&＃xff0c;使印刷电路板更简单&＃xff0c;成本更低&＃xff0c;位于荷兰的Philips实验室开发了 ‘Inter-Integrated Circuit’&＃xff0c;IIC 或 IIC &＃xff0c;一种只使用二根线接连所有外围芯片的总线协议。最初的标准定义总线速度为100kbps。经历几次修订&＃xff0c;主要是1995年的400kbps&＃xff0c;1998的3.4Mbps。
有迹象表明&＃xff0c;SPI总线首次推出是在1979年&＃xff0c;Motorola公司将SPI总线集成在他们第一支改自68000微处理器的微控制器芯片上。SPI总线是微控制器四线的外部总线&＃xff08;相对于内部总线&＃xff09;。与IIC不同&＃xff0c;SPI没有明文标准&＃xff0c;只是一种事实标准&＃xff0c;对通信操作的实现只作一般的抽象描述&＃xff0c;芯片厂商与驱动开发者通过data sheets和application notes沟通实现上的细节。SPI
对于有经验的数字电子工程师来说&＃xff0c;用SPI互联两支数字设备是相当直观的。SPI是种四根信号线协议&＃xff08;如图&＃xff09;&＃xff1a;

• 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&＃xff3b;单主设备&＃xff08; single-master &＃xff09;&＃xff3d;通信协议&＃xff0c;这意味着总线中的只有一支中心设备能发起通信。当SPI主设备想读/写&＃xff3b;从设备&＃xff3d;时&＃xff0c;它首先拉低&＃xff3b;从设备&＃xff3d;对应的SS线&＃xff08;SS是低电平有效&＃xff09;&＃xff0c;接着开始发送工作脉冲到时钟线上&＃xff0c;在相应的脉冲时间上&＃xff0c;&＃xff3b;主设备&＃xff3d;把信号发到MOSI实现“写”&＃xff0c;同时可对MISO采样而实现“读”&＃xff0c;如下图&＃xff1a;

SPI有四种操作模式——模式0、模式1、模式2和模式3&＃xff0c;它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换&＃xff08;toggles&＃xff09;输出信号&＃xff0c;哪条边沿采样输入信号&＃xff0c;还有时钟脉冲的稳定电平值&＃xff08;就是时钟信号无效时是高还是低&＃xff09;。每种模式由一对参数刻画&＃xff0c;它们称为时钟极&＃xff08;clock polarity&＃xff09;CPOL与时钟期&＃xff08;clock phase&＃xff09;CPHA。

&＃xff3b;主从设备&＃xff3d;必须使用相同的工作参数——SCLK、CPOL 和 CPHA&＃xff0c;才能正常工作。如果有多个&＃xff3b;从设备&＃xff3d;&＃xff0c;并且它们使用了不同的工作参数&＃xff0c;那么&＃xff3b;主设备&＃xff3d;必须在读写不同&＃xff3b;从设备&＃xff3d;间重新配置这些参数。以上SPI总线协议的主要内容。SPI不规定最大传输速率&＃xff0c;没有地址方案&＃xff1b;SPI也没规定通信应答机制&＃xff0c;没有规定流控制规则。事实上&＃xff0c;SPI&＃xff3b;主设备&＃xff3d;甚至并不知道指定的&＃xff3b;从设备&＃xff3d;是否存在。这些通信控制都得通过SPI协议以外自行实现。例如&＃xff0c;要用SPI连接一支&＃xff3b;命令-响应控制型&＃xff3d;解码芯片&＃xff0c;则必须在SPI的基础上实现更高级的通信协议。SPI并不关心物理接口的电气特性&＃xff0c;例如信号的标准电压。在最初&＃xff0c;大多数SPI应用都是使用间断性时钟脉冲和以字节为单位传输数据的&＃xff0c;但现在有很多变种实现了连续性时间脉冲和任意长度的数据帧。IIC
与SPI的单主设备不同&＃xff0c;IIC 是多主设备的总线&＃xff0c;IIC没有物理的芯片选择信号线&＃xff0c;没有仲裁逻辑电路&＃xff0c;只使用两条信号线—— ‘serial data’ (SDA) 和 ‘serial clock’ (SCL)。IIC协议规定&＃xff1a;

• 第一&＃xff0c;每一支IIC设备都有一个唯一的七位设备地址&＃xff1b;
• 第二&＃xff0c;数据帧大小为8位的字节&＃xff1b;
• 第三&＃xff0c;数据&＃xff08;帧&＃xff09;中的某些数据位用于控制通信的开始、停止、方向&＃xff08;读写&＃xff09;和应答机制。

IIC 数据传输速率有标准模式&＃xff08;100 kbps&＃xff09;、快速模式&＃xff08;400 kbps&＃xff09;和高速模式&＃xff08;3.4 Mbps&＃xff09;&＃xff0c;另外一些变种实现了低速模式&＃xff08;10 kbps&＃xff09;和快速&＃43;模式&＃xff08;1 Mbps&＃xff09;。
物理实现上&＃xff0c;IIC 总线由两根信号线和一根地线组成。两根信号线都是双向传输的&＃xff0c;参考下图。IIC协议标准规定发起通信的设备称为主设备&＃xff0c;主设备发起一次通信后&＃xff0c;其它设备均为从设备。

IIC 通信过程大概如下。首先&＃xff0c;主设备发一个START信号&＃xff0c;这个信号就像对所有其它设备喊&＃xff1a;请大家注意&＃xff01;然后其它设备开始监听总线以准备接收数据。接着&＃xff0c;主设备发送一个7位设备地址加一位的读写操作的数据帧。当所设备接收数据后&＃xff0c;比对地址自己是否目标设备。如果比对不符&＃xff0c;设备进入等待状态&＃xff0c;等待STOP信号的来临&＃xff1b;如果比对相符&＃xff0c;设备会发送一个应答信号——ACKNOWLEDGE作回应。
当主设备收到应答后便开始传送或接收数据。数据帧大小为8位&＃xff0c;尾随一位的应答信号。主设备发送数据&＃xff0c;从设备应答&＃xff1b;相反主设备接数据&＃xff0c;主设备应答。当数据传送完毕&＃xff0c;主设备发送一个STOP信号&＃xff0c;向其它设备宣告释放总线&＃xff0c;其它设备回到初始状态。

基于IIC总线的物理结构&＃xff0c;总线上的START和STOP信号必定是唯一的。另外&＃xff0c;IIC总线标准规定SDA线的数据转换必须在SCL线的低电平期&＃xff0c;在SCL线的高电平期&＃xff0c;SDA线的上数据是稳定的。

在物理实现上&＃xff0c;SCL线和SDA线都是漏极开路&＃xff08;open-drain&＃xff09;&＃xff0c;通过上拉电阻外加一个电压源。当把线路接地时&＃xff0c;线路为逻辑0&＃xff0c;当释放线路&＃xff0c;线路空闲时&＃xff0c;线路为逻辑1。基于这些特性&＃xff0c;IIC设备对总线的操作仅有“把线路接地”——输出逻辑0。
IIC总线设计只使用了两条线&＃xff0c;但相当优雅地实现任意数目设备间无缝通信&＃xff0c;堪称完美。我们设想一下&＃xff0c;如果有两支设备同时向SCL线和SDA线发送信息会出现什么情况。
基于IIC总线的设计&＃xff0c;线路上不可能出现电平冲突现象。如果一支设备发送逻辑0&＃xff0c;其它发送逻辑1&＃xff0c;那么线路看到的只有逻辑0。也就是说&＃xff0c;如果出现电平冲突&＃xff0c;发送逻辑0的始终是“赢家”。
总线的物理结构亦允许主设备在往总线写数据的同时读取数据。这样&＃xff0c;任何设备都可以检测冲突的发生。当两支主设备竞争总线的时候&＃xff0c;“赢家”并不知道竞争的发生&＃xff0c;只有“输家”发现了冲突——当它写一个逻辑1&＃xff0c;却读到0时——而退出竞争。10位设备地址
任何IIC设备都有一个7位地址&＃xff0c;理论上&＃xff0c;现实中只能有127种不同的IIC设备。实际上&＃xff0c;已有IIC的设备种类远远多于这个限制&＃xff0c;在一条总线上出现相同的地址的IIC设备的概率相当高。为了突破这个限制&＃xff0c;很多设备使用了双重地址——7位地址加引脚地址&＃xff08;external configuration pins&＃xff09;。IIC 标准也预知了这种限制&＃xff0c;提出10位的地址方案。10位的地址方案对 IIC协议的影响有两点&＃xff1a;

• 第一&＃xff0c;地址帧为两个字节长&＃xff0c;原来的是一个字节&＃xff1b;
• 第二&＃xff0c;第一个字节前五位最高有效位用作10位地址标识&＃xff0c;约定是“11110”。

除了10位地址标识&＃xff0c;标准还预留了一些地址码用作其它用途&＃xff0c;如下表&＃xff1a;

时钟拉伸
在 IIC 通信中&＃xff0c;主设备决定了时钟速度。因为时钟脉冲信号是由主设备显式发出的。但是&＃xff0c;当从设备没办法跟上主设备的速度时&＃xff0c;从设备需要一种机制来请求主设备慢一点。这种机制称为时钟拉伸&＃xff0c;而基于I²C结构的特殊性&＃xff0c;这种机制得到实现。当从设备需要降低传输的速度的时候&＃xff0c;它可以按下时钟线&＃xff0c;逼迫主设备进入等待状态&＃xff0c;直到从设备释放时钟线&＃xff0c;通信才继续。

高速模式
原理上讲&＃xff0c;使用上拉电阻来设置逻辑1会限制总线的最大传输速度。而速度是限制总线应用的因素之一。这也说明为什么要引入高速模式&＃xff08;3.4 Mbps&＃xff09;。在发起一次高速模式传输前&＃xff0c;主设备必须先在低速的模式下&＃xff08;例如快速模式&＃xff09;发出特定的“High Speed Master”信号。为缩短信号的周期和提高总线速度&＃xff0c;高速模式必须使用额外的I/O缓冲区。另外&＃xff0c;总线仲裁在高速模式下可屏蔽掉。更多的信息请参与总线标准文档。

IIC vs SPI: 哪位是赢家&＃xff1f;我们来对比一下IIC 和 SPI的一些关键点&＃xff1a;第一&＃xff0c;总线拓扑结构/信号路由/硬件资源耗费
IIC 只需两根信号线&＃xff0c;而标准SPI至少四根信号&＃xff0c;如果有多个从设备&＃xff0c;信号需要更多。一些SPI变种虽然只使用三根线——SCLK, SS和双向的MISO/MOSI&＃xff0c;但SS线还是要和从设备一对一根。另外&＃xff0c;如果SPI要实现多主设备结构&＃xff0c;总线系统需额外的逻辑和线路。用IIC 构建系统总线唯一的问题是有限的7位地址空间&＃xff0c;但这个问题新标准已经解决——使用10位地址。从第一点上看&＃xff0c;IIC是明显的大赢家。第二&＃xff0c;数据吞吐/传输速度
如果应用中必须使用高速数据传输&＃xff0c;那么SPI是必然的选择。因为SPI是全双工&＃xff0c;IIC 的不是。SPI没有定义速度限制&＃xff0c;一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps。IIC 最高的速度也就快速&＃43;模式&＃xff08;1 Mbps&＃xff09;和高速模式&＃xff08;3.4 Mbps&＃xff09;&＃xff0c;后面的模式还需要额外的I/O缓冲区&＃xff0c;还并不是总是容易实现的。第三&＃xff0c;优雅性
IIC 常被称更优雅于SPI。公正的说&＃xff0c;我们更倾向于认为两者同等优雅和健壮。IIC的优雅在于它的特色——用很轻盈的架构实现了多主设备仲裁和设备路由。但是对使用的工程师来讲&＃xff0c;理解总线结构更费劲&＃xff0c;而且总线的性能不高。
SPI的优点在于它的结构相当的直观简单&＃xff0c;容易实现&＃xff0c;并且有很好扩展性。SPI的简单性不足称其优雅&＃xff0c;因为要用SPI搭建一个有用的通信平台&＃xff0c;还需要在SPI之上构建特定的通信协议软件。也就是说要想获得SPI特有而IIC没有的特性——高速性能&＃xff0c;工程师们需要付出更多的劳动。另外&＃xff0c;这种自定的工作是完全自由的&＃xff0c;这也说明为什么SPI没有官方标准。IIC和SPI都对低速设备通信提供了很好的支持&＃xff0c;不过&＃xff0c;SPI适合数据流应用&＃xff0c;而IIC更适合“字节设备”的多主设备应用。小结
在数字通信协议簇中&＃xff0c;IIC和SPI常称为“小”协议&＃xff0c;相对Ethernet, USB, SATA, PCI-Express等传输速度达数百上千兆字节每秒的总线。但是&＃xff0c;我们不能忘记的是各种总线的用途是什么。“大”协议是用于系统外的整个系统之间通信的&＃xff0c;“小”协议是用于系统内各芯片间的通信&＃xff0c;没有迹象表明“大”协议有必要取代“小”协议。IIC和SPI的存在和流行体现了“够用就好”的哲学。回应文首&＃xff0c;IIC和SPI如此的流行&＃xff0c;它是任何一位嵌入式工程师必备的工具。