嵌入式工程師詳解常用的IIC和SPI總線協議概念

IIC vs SPI

現今，在低端數字通信應用領域，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準通信協議。

IIC 開發于1982年，當時是為了給電視機內的CPU和外圍芯片提供更簡易的互聯方式。電視機是最早的嵌入式系統之一，而最初的嵌入系統是使用內存映射（memory-mapped I/O）的方式來互聯微控制器和外圍設備的。要實現內存映射，設備必須并聯入微控制器的數據線和地址線，這種方式在連接多個外設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議。最初的標準定義總線速度為100kbps。經歷幾次修訂，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（相對于內部總線）。與IIC不同，SPI沒有明文標準，只是一種事實標準，對通信操作的實現只作一般的抽象描述，芯片廠商與驅動開發者通過data sheets和application notes溝通實現上的細節。

SPI

對于有經驗的數字電子工程師來說，用SPI互聯兩支數字設備是相當直觀的。SPI是種四根信號線協議（如圖）：

嵌入式工程師常用的IIC和SPI總線協議

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 （ac tive low， outputf rom master）。

SPI是［單主設備（ single-master ）］通信協議，這意味著總線中的只有一支中心設備能發起通信。當SPI主設備想讀/寫［從設備］時，它首先拉低［從設備］對應的SS線（SS是低電平有效），接著開始發送工作脈沖到時鐘線上，在相應的脈沖時間上，［主設備］把信號發到MOSI實現“寫”，同時可對MISO采樣而實現“讀”，如下圖：

嵌入式工程師常用的IIC和SPI總線協議

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

嵌入式工程師常用的IIC和SPI總線協議

［主從設備］必須使用相同的工作參數——SCLK、CPOL 和 CPHA，才能正常工作。如果有多個［從設備］，并且它們使用了不同的工作參數，那么［主設備］必須在讀寫不同［從設備］間重新配置這些參數。以上SPI總線協議的主要內容。SPI不規定最大傳輸速率，沒有地址方案；SPI也沒規定通信應答機制，沒有規定流控制規則。事實上，SPI［主設備］甚至并不知道指定的［從設備］是否存在。這些通信控制都得通過SPI協議以外自行實現。例如，要用SPI連接一支［命令-響應控制型］解碼芯片，則必須在SPI的基礎上實現更高級的通信協議。SPI并不關心物理接口的電氣特性，例如信號的標準電壓。在最初，大多數SPI應用都是使用間斷性時鐘脈沖和以字節為單位傳輸數據的，但現在有很多變種實現了連續性時間脈沖和任意長度的數據幀。