浅析SPI总线与I2C接口

　　一、SPI
　　SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是Motorola公司MC68HCXX系列提出的一种同步4线串行数据传输标准。SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。一般TF卡、SD卡、读卡器用这种接口，U盘？
　　SPI总线首次推出是在1979年，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（相对于内部总线）。与IIC不同，SPI没有明文标准，只是一种事实标准，对通信操作的实现只作一般的抽象描述，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是种四根信号线协议（如图）：
　　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）。
　　
　　以主/从方式工作，数据传输过程由主机初始化。4条信号线分别为：
　　1） SCLK：串行时钟，用来同步数据传输，由主机输出；
　　2） MOSI：主机输出从机输入数据线，通常先传输MSB；
　　3） MISO：主机输入从机输出数据线，通常先传输LSB；
　　4） SS：片选线，低电平有效，由主机输出。
　　在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机，主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。多个片选或者菊花链形式实现一主多从。
　　
　　
　　SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。如下图所示，在SCLK的上升沿上数据改变，同时一位数据被存入移位寄存器。在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：
　　1） 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；
　　2） 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。
　　这是通过移位寄存器来实现的。如图2所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。
　　
　　时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA或UCCKPH）
　　在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性和时钟相位。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。举例来说，分别选取MSP430控制器和OLED驱动SH1101A为主从机，图3和图4为它们的SPI时序。由图4可知，SH1101A的SPI时钟空闲时为高电平，并且在后时钟沿接收数据，则MSP430控制器SPI的设置应与此保持一致。从图3中可以看出，要使得时钟在空闲时为高电平，应将UCCKPL置1；要使得在后时钟沿接收数据，应将UCCKPH清零。
　　
　　优缺点
　　优点：全双工操作；操作简单；数据传输速率较高。
　　缺点：需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；只支持单个主机；没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。
　　应用
　　SPI总线可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件相连，包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。
　　二、I2C Inter－Integrated Circuit
　　I2C由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线（数据线和时钟线）即可在连接于总线上的器件之间传送信息。连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制，串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。
　　IIC 开发于1982年，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，而最初的嵌入系统是使用内存映射（memory-mapped I/O）的方式来互联微控制器和外围设备的。要实现内存映射，设备必须并联入微控制器的数据线和地址线，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，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，使印刷威廉希尔官方网站 板更简单，成本更低，位于荷兰的Philips实验室开发了 ‘Inter-Integrated Circuit’，IIC 或 IIC ，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，主要是1995年的400kbps，1998的3.4Mbps。
　　如图是I2C总线应用。？？？1、测量直流电流模块，绿色是传感器，通过I2C送出测量数据。2、手势传感器。3、LCD1602显示。4、eeprom存储模块接口。
　　接口
　　I2C接口包括时钟线（SCL）和数据线（SDA）。这两条线都是漏极开路或者集电极开路结构，使用时需要外加上拉电阻，可以挂载多个设备。每个设备都有自己的地址，主机通过不同地址来选中不同的设备。
　　一般操作
　　1）主机给从机发数据：发送开始条件START和从机地址；发送数据；发送停止条件STOP结束。
　　2）主机从从机读取数据：发送开始条件START和从机地址；发送要读取的地址；读取数据；发送停止条件STOP结束。
　　2.1开始和结束条件
　　当SCL保持高电平期间，SDA从高电平跳变到低电平，即为开始条件START。当SCL保持高电平期间，SDA从低电平跳变到高电平，即为结束条件STOP。
　　
　　
　　2.2 重复的起始条件
　　与起始条件的区别是，它出现在结束条件STOP之前。例如读取数据时，发送START、从机地址、要读取的地址后，不需要发送STOP，而可以发送重复起始条件和从机地址，开始数据读取。
　　2.3 ACK和NACK
　　数据传输时先传MSB。接收者在每个字节后的第9个时钟周期将SDA保持低电平进行确认数据接收成功；而在第9个时钟周期将SDA保持高电平表示数据传输出错，或者主机不再想接收数据。
　　
　　数据读写
　　1）写数据
　　
　　2）读数据
　　
　　优缺点
　　1）优点
　　只使用两条信号线；支持多主机多从机；有应答机制；极低的电流消耗．抗高噪声干扰，增加总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离达到15m；兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。
　　2）缺点
　　速率比SPI慢。
　　与SPI的单主设备不同，IIC 是多主设备的总线，IIC没有物理的芯片选择信号线，没有仲裁逻辑威廉希尔官方网站 ，只使用两条信号线—— ‘serial data’ （SDA） 和 ‘serial clock’ （SCL）。IIC协议规定：
　　第一，每一支IIC设备都有一个唯一的七位设备地址；
　　第二，数据帧大小为8位的字节；
　　第三，数据（帧）中的某些数据位用于控制通信的开始、停止、方向（读写）和应答机制。
　　IIC 数据传输速率有标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些变种实现了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。
　　物理实现上，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，参考下图。IIC协议标准规定发起通信的设备称为主设备，主设备发起一次通信后，其它设备均为从设备。
　　
　　对比一下IIC 和 SPI的一些关键点：
　　第一，总线拓扑结构/信号路由/硬件资源耗费
　　IIC 只需两根信号线，而标准SPI至少四根信号，如果有多个从设备，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，但SS线还是要和从设备一对一根。另外，如果SPI要实现多主设备结构，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，但这个问题新标准已经解决——使用10位地址。从第一点上看，IIC是明显的大赢家。
　　第二，数据吞吐/传输速度
　　如果应用中必须使用高速数据传输，那么SPI是必然的选择。因为SPI是全双工，IIC 的不是。SPI没有定义速度限制，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+模式（1 Mbps）和高速模式（3.4 Mbps），后面的模式还需要额外的I/O缓冲区，还并不是总是容易实现的。
　　第三，优雅性
　　IIC 常被称更优雅于SPI。公正的说，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，理解总线结构更费劲，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，容易实现，并且有很好扩展性。SPI的简单性不足称其优雅，因为要用SPI搭建一个有用的通信平台，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，工程师们需要付出更多的劳动。另外，这种自定的工作是完全自由的，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，不过，SPI适合数据流应用，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，IIC和SPI常称为“小”协议，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，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，“小”协议是用于系统内各芯片间的通信，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，IIC和SPI如此流行，它是任何一位嵌入式工程师必备的工具。