可控制多外设的SPI/I²C总线

摘要：本应用笔记对两种模拟IC中常用的串行、数字接口(SPI™或3线、I²C或2线)进行了比较，每种接口在不同的设计中都表现出其优点和缺点，具体取决于数据速率、可提供的设计空间以及噪声环境等。本应用笔记给出了两种接口的区别，并举例详细说明了这些观点。

引言

虽然现实世界中的信号都是模拟信号，但是现在越来越多的模拟IC采用数字接口进行通信。串行接口的数据通信介于主机(提供串行时钟)和从机/外设之间。目前，大多数微控制器提供SPI (3线)和I²C (2线)接口，用于发送、接收数据。微处理器通过几条总线控制周边的设备，比如：模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)、智能电池、端口扩展、EEPROM以及温度传感器。与通过并口传输数据不同的是：串行接口通过2条、3条或4条数据/时钟总线连续传输数据。虽然并行接口具有传输速度快的特点，但是串行接口占用较少的控制和数据线。

串行接口的基础知识

串行接口有三种：3线、2线和单线。本文主要讨论3线和2线串行接口。串行外设接口(SPI)、队列串行外设接口(QSPI™)和MICROWIRE™ (或MICROWIRE PLUS™)接口标准均采用3线接口。芯片间总线(I²C)和系统管理总线(SMBus™)均为2线接口。这些串行接口拥有各自的优点和缺点，如表1所示。

3线接口

3线接口使用片选线(低电平有效CS或SS)、时钟线(SCLK)和数据输入/主机输出线(DIN或MOSI)。3线接口有时也包括一条数据输出/主机输入线(DOUT或MISO)，这时也叫做4线接口。为了叙述的简便，本文将3线接口和4线接口统称为3线接口。

3线接口可以以更高的时钟频率工作，并且不需要上拉电阻。SPI/QSPI和MICROWIRE接口都可以工作在全双工模式(数据可以在同一时间发送和接收)，一般在嘈杂环境下工作不成问题。3线接口是边沿触发，不是电平触发，因此具有更强的抗干扰能力。

3线接口的主要缺点是它要为每一个从机提供一条低电平有效的CS线，除非将从机用菊链形式连接，如图1所示(后续章节将详细讨论菊链方式)。另外一个缺点是3线接口没有应答机制去判断数据的收发是否正确。从软件设计看，在单主机/单从机应用中，3线接口比2线接口简单，效率更高。


图1. 利用数据输入、数据输出、时钟和片选信号进行通信的3线接口。

2线接口

2线接口包括一条数据线(SDA或SMBDATA)和一条时钟线(SCL或SMBCLK)。2线接口的优点是使用更少的连线，这一点对于结构紧凑的设计尤为重要，比如：手机、光纤的应用。因为2线接口为每个从机分配唯一的地址，所以可以在一条总线连接多个从机而不需要片选信号。2线接口在成功完成一次读操作后会传输一个应答位。因为2线接口只有一条数据线，所以它只能工作在半双工模式(数据的读写不可以同时进行)。因为2线接口是电平触发，所以在嘈杂环境中如果发生数据位错误，可能造成问题。

表1. 3/2线接口优缺点的对比

Interface	Advantages	Disadvantages
3-Wire: SPI, QSPI, and MICROWIRE PLUS	1. Speed 2. No pullup resistors required 3. Full-duplex operation 4. Noise immunity	1. Larger number of bus line connections 2. Individual chip-select lines required to communicate with more than one slave at a time 3. No acknowledgment of received data
2-Wire: I²C and SMBus	1. Fewer bus line connections 2. Multiple devices share the same bus 3. Received data is acknowledged	1. Speed: SMBus limited to 100kHz; I²C limited to 3.4MHz 2. Half-duplex operation 3. Open-drain bus lines require pullup resistors 4. Reduced noise immunity

主机和从机经由多条总线通过串行接口进行通讯。在写周期，主机使用自己产生的时钟和数据将数据传至从机。在读周期，从机传输数据至主机。

SPI、QSPI和MICROWIRE设计

由Motorola制定的SPI接口已被很多流行的处理器和微控制器采用，比如MAXQ2000。SPI接口需要两条控制线(低电平有效CS和SCLK)和两条数据线(DIN/SDI和DOUT/SDO)。Motorola的SPI/QSPI标准称DIN/SDI数据线为MOSI (主机出，从机入)，DOUT/SDO数据线为MISO (主机入，从机出)，CS线为SS(从机选择)。为了叙述的清晰，我们基于从机说明3线接口的数据线。DIN是从机的数据输入线，DOUT是从机的数据读出线。本文采用低电平有效CS、SCLK、DIN和DOUT来定义3线接口中的各条线，Maxim外设使用了这些引脚名称。

大多数的SPI接口有两位配置位，时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)用于设定从机何时采集数据。CPOL决定SCLK为高时总线空闲(CPOL = 1)还是SCLK为低时总线空闲(CPOL = 0)。CPHA决定在SCLK的哪一个边沿将数据移入、移出。当CPOL = 0时，将CPHA设为0，表示在SCLK的上升沿将数据移入从机；将CPHA设为1，表示在SCLK的下降沿将数据移入从机。CPOL和CPHA的两个状态允许四种时钟极性和相位的不同组合。每一种都与其它三种不兼容。为了实现主、从机间的通讯，主、从机的CPOL和CPHA必须有相同的设置。

在SPI接口的大多数应用中，SPI接口一次传送8位数据(一个字节)，有一些微处理器一次传送两个或多个字节。例如，MAXQ2000微处理器可一次传送8位或16位数据。当CPOL = 0、CPHA = 0，低电平有效CS由高跳变为低，开始一个主机到从机的传输过程。在SCLK信号高低变化的八个周期内，低电平有效CS信号必须保持为低。DIN数据锁定在SCLK信号的上升沿。在同样的8位周期内，DOUT线上的从机输出数据在SCLK的每个下降沿有效。图2a给出了CPHA = 1时的详细时序；图2b给出了CPHA = 0时的详细时序。


图2a. 3线接口时序(CPHA = 1)，CPHA = 1、CPOL = 1时，3线接口在时钟的上升沿将数据移入外设，在时钟的下降沿将数据移出外设。


图2b. 3线接口时序(CPHA = 0)，CHPA = 0、CPOL = 1时，3线接口在时钟的下降沿将数据移入外设，在时钟的上升沿将数据移出外设。

因为总线上的每一个IC需要专属的片选线，所以低电平有效CS被用做每个从机的使能信号。如果一条总线上有四个从机，则需要四条片选线。如果从机的低电平有效CS为高电平(禁止)，该从机就忽略SCLK线上的数据，将DOUT置为高阻。

部分3线接口设备可以链接成菊链的方式，而不需要为每个从机提供低电平有效的CS线，菊链方式能够用一条低电平有效的CS线和一条数据线控制多个串联从机。在菊链结构中3线接口必须包含DOUT线，如图1所示，从机#1的DOUT连接到从机#2的DIN，如此反复。

SPI标准中没有定义最大数据速率。外部设备定义了自己的最大数据速率，通常为MHz量级。微处理器可以适应很宽范围的SPI数据速率。在利用SPI接口进行通讯时，从机无法降低主机的数据速率或确定一个适当的速率。

QSPI标准和SPI标准非常相似。事实上，外设无法区分QSPI总线和SPI总线。与SPI标准中的主机不同，QSPI中的主机允许数据通过可编程的片选线传输数据。QSPI的主机甚至可以传送长度在8位和16位之间的数据，而SPI的主机只可以传送8位的数据。可以配置QSPI的设备去连续传送长度超过16字节的数据(最大为256位)。这种传输完全由QSPI设备的配置来实现，不需要MCU的操作。与SPI接口相似，QSPI接口也没有规定最大数据速率。

由National Semiconductor公司制定的老的MICROWIRE标准和SPI标准非常相似。不同的是MICROWIRE标准的时钟极性和时钟相位是固定的(CPOL = 0和CPHA = 0)。DIN的数据读取总是锁定在SCLK的上升沿。DOUT的数据输出总是在SCLK的下降沿。MICROWIRE标准没有规定最大数据速率。

芯片间威廉希尔官方网站 接口(I²C)

不同于全双工的3线制接口，由Philips制定的I²C接口通过一条数据线(SDA)和一条时钟线(SCL)实现半双工通信。I²C接口定义了一个简单的主/从双向通信接口。在这个体系中，MCU决定自己为主机(写模式)或为从机(接收模式)。每个从机具备专有、唯一的地址，使主机可以和多个从机通过一条总线进行通信，而不需要为每一个从机提供单独的片选线。如图3所示，从机的数目只受限于最大线上电容(400pF)，I²C接口的机制基于7位或10位地址，7位的地址更为常见。在7位地址的机制中，总线上可以接127个不同的外设。SCL和SDA线为漏极开路结构，所以闲置时必须为高。当电源电压为3V时，连接一个1kΩ或更大阻值的上拉电阻；当电源电压为5V时，连接一个1.6kΩ或更大阻值的上拉电阻。


图3. 利用数据输入/输出和时钟信号进行通信的2线接口。

当SCL为高，SDA从高变为低，即发出了一个开始命令，启动I²C通信。图4a所示，每个SCL时钟传输一个数据位，传输一个字节至少需要9个数据位。一个写周期包括8个数据位和一个应答位(ACK)或者非应答位(NACK)。如图4b所示，当数据在I²C总线上传输时，在SLK的上升沿写入从机，在SLK的下降沿从机输出。在SCL时钟周期为高电平的时间内，SDA线的数据不可以改变。一次传输的完成必须跟随着一个中止或重新开始的命令，既SCL为高时，SDA由低变为高。当总线空闲时，SDA和SCL都为高。


图4a. 开始条件和停止条件，2线接口采用开始、重复开始和停止命令在主机和从机之间传输数据。


图4b. I²C应答位，应答数据时，2线接口将SDA拉低。

I²C的写周期起始于开始命令，随后是7位从机地址和第8位用于标识读、写操作。将第8位置低，表示写操作；将第8位置高，表示读操作。主机在第8个时钟周期后释放总线。如果从机应答数据传输，则在第9个时钟周期将SDA拉低。如果从机不应答写命令，则释放SDA (该数据线通过上拉电阻置于高电平)。

随后，主机写入8位命令字节，然后是第二个ACK/NACK位。接下来，主机写入8位数据字节并跟随第三个ACK/NACK位。数据字节和最后的应答位完成一个读/写周期，更新外设输出，图5a是一个写周期的详细例子。

I²C读周期起始于开始命令，随后是需要写入数据的从机地址、第8位置高，表示读操作。在ACK/NACK之后，主机写入命令字节访问从机寄存器。在第二个ACK/NACK位后，主机重新写入从机地址。在第三个ACK/NACK位后，从机控制总线，一次输出8位数据到总线上。如图5b所示，当从与上次读操作相同的从机寄存器读取数据时，主机只需要在读取从机数据之前写入从机地址。


图5. 2线接口一次传输8位数据，图5a是I²C写周期的一个例子；图5b是I²C读周期的一个例子。

I²C接口支持低速(大于100kHz)、快速(大于400kHz)和高速(大于3.4MHz)三种数据速率。I²C接口的高低电平为CMOS逻辑电平(低电平为0.3x电源电压以下，高电平为0.7x电源电压以上)。

系统管理总线(SMBus)

Intel®制定了SMBus标准用于低速通信，SMBus 2线接口与I²C接口非常相似。SMBus也使用一条数据线(SMBDATA)和一条时钟线(SMBCLK)进行通信。SMBCLK和SMBDATA也需要上拉电阻，3V供电时上拉电阻大于8.5kΩ，5V供电时上拉电阻大于14kΩ。SMBus工作电压范围在3V和5V之间，大于2.1V为高电平，低于0.8V为低电平。

I²C接口和SMBus接口的最主要区别是最高/最低时钟速率，因为I²C总线为被动传输总线，不存在总线超时问题，速率可低至“静止”。SMBus接口则存在总线超时问题。如果时钟信号拉低之后的时间大于超时周期(最长为35ms)时，从机复位接口，认为发生总线超时。SMBus的超时周期限制了时钟的最小速率为19kHz。为了保证正常通信，SMBCLK的速率必须介于10kHz至100kHz之间，而I²C接口的主机或从机则可根据传输数据的需要将时钟保持在低电平。

外设举例

微处理器经常通过串行接口与外设通信，当微处理器通过2线或3线接口访问外设后，外设相应地改变其模拟或数字输出。例如，指使外设设置电池的充电的电流和电压、用温度传感器控制风扇、设置数模转换器的模拟输出等。

如图6所示，通过2线接口连接微处理器和8位数/模转换器(MAX5115)。因为这个DAC有四个地址选择引脚，可以产生16个唯一的从机地址，因此可以在总线上并联16个DAC，因为MAX6641有不同的从机地址，同样的2线接口也可以设置SMBus温度传感器/风扇控制器(MAX6641)，风扇控制器控制MOSFET的栅极，使其打开或关闭风扇。


图6. 由于微控制器采用的是I²C接口，与外设通信时，如DAC、温度传感器，总线只需要两条连线。

3线接口需要单独的片选线实现微处理器与多个并行从机之间的通信，更简单的2线接口用一条时钟线和一条数据线与总线上的每个设备通信。可以通过设定不同的从机地址在总线上挂接多个IC。大多数I²C接口外设具备地址选择引脚，以实现从机地址的配置。外设可以使用的从地址数等于地址选择引脚数的平方。例如，若外有两个地址选择引脚，它就可以配置四个不同的地址。

新一代设计以更少的地址选择引脚提供更多的从地址。MAX7319是输入/输出扩展芯片，可以从两个地址选择引脚(AD2和AD0)扩展出16个从地址。这些引脚可以接GND、电源(VCC)、SDA或SCL。表2列出了这16个从地址的详细信息，A6、A5、A4固定为110，A3至A0可以通过AD2、AD0设置。

表2. MAX7319仅利用2个地址线(AD2和AD0)即可编译出16个不同地址

Pin Connection		Device Address
AD2	AD0	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0
SCL	GND	1	1	0	0	0	0	0
SCL	VCC	1	1	0	0	0	0	1
SCL	SCL	1	1	0	0	0	1	0
SCL	SDA	1	1	0	0	0	1	1
SDA	GND	1	1	0	0	1	0	0
SDA	VCC	1	1	0	0	1	0	1
SDA	SCL	1	1	0	0	1	1	0
SDA	SDA	1	1	0	0	1	1	1
GND	GND	1	1	0	1	0	0	0
GND	VCC	1	1	0	1	0	0	1
GND	SCL	1	1	0	1	0	1	0
GND	SDA	1	1	0	1	0	1	1
VCC	GND	1	1	0	1	1	0	0
VCC	VCC	1	1	0	1	1	0	1
VCC	SCL	1	1	0	1	1	1	0
VCC	SDA	1	1	0	1	1	1	1

进一步改进

3线接口和2线接口有几点不同的要求，每种接口都有其特殊优势。近期内不可能用一种接口标准完全取代另一接口标准。具备I²C接口的器件发展较快，并开始融合一些SMBus接口的特点，支持诸如超时复位等功能，使接口可以根据需要关断。新的I²C从机地址长达10位，而不仅仅是7位，这给用户带来更多的灵活性。

3线接口和2线接口将并存，但I²C接口似乎占有更大的市场份额，大部分微处理器支持2线接口。I²C接口的易用性及更少的连线使其增长量超过了SPI接口。