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spi与i2c总线协议的对比分析

2017年12月06日 11:57 次阅读

  现今,在低端数字通信应用领域,我们随处可见I2C (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(for I2C)和Motorola(for SPI) 出于不同背景和市场需求制定了这两种标准通信协议。

  I2C 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,使印刷电路板更简单,成本更低,位于荷兰的Philips实验室开发了 ‘Inter-Integrated Circuit’,I2C 或 I2C ,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。

  有迹象表明,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I2C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

  对于有经验的数字电子工程师来说,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(如图):

  spi与i2c总线协议的对比分析

  § 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[单主设备( single-master )]通信协议,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[从设备]时,它首先拉低[从设备]对应的SS线(SS是低电平有效),接着开始发送工作脉冲到时钟线上,在相应的脉冲时间上,[主设备]把信号发到MOSI实现“写”,同时可对MISO采样而实现“读”,如下图:

  spi与i2c总线协议的对比分析

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

  spi与i2c总线协议的对比分析

  [主从设备]必须使用相同的工作参数——SCLK、CPOL 和 CPHA,才能正常工作。如果有多个[从设备],并且它们使用了不同的工作参数,那么[主设备]必须在读写不同[从设备]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,没有地址方案;SPI也没规定通信应答机制,没有规定流控制规则。事实上,SPI[主设备]甚至并不知道指定的[从设备]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,要用SPI连接一支[命令-响应控制型]解码芯片,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,例如信号的标准电压。在最初,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,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。

  I2C

  与SPI的单主设备不同,I2C 是多主设备的总线,I2C没有物理的芯片选择信号线,没有仲裁逻辑电路,只使用两条信号线—— ‘serial data’ (SDA) 和 ‘serial clock’ (SCL)。I2C协议规定:

  § 第一,每一支I2C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。

  I2C 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,I2C 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。I2C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。

  spi与i2c总线协议的对比分析

  I2C 通信过程大概如下。首先,主设备发一个START信号,这个信号就像对所有其它设备喊:请大家注意!然后其它设备开始监听总线以准备接收数据。接着,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,比对地址自己是否目标设备。如果比对不符,设备进入等待状态,等待STOP信号的来临;如果比对相符,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,尾随一位的应答信号。主设备发送数据,从设备应答;相反主设备接数据,主设备应答。当数据传送完毕,主设备发送一个STOP信号,向其它设备宣告释放总线,其它设备回到初始状态。

  spi与i2c总线协议的对比分析

  基于I2C总线的物理结构,总线上的START和STOP信号必定是唯一的。另外,I2C总线标准规定SDA线的数据转换必须在SCL线的低电平期,在SCL线的高电平期,SDA线的上数据是稳定的。

  spi与i2c总线协议的对比分析

  在物理实现上,SCL线和SDA线都是漏极开路(open-drain),通过上拉电阻外加一个电压源。当把线路接地时,线路为逻辑0,当释放线路,线路空闲时,线路为逻辑1。基于这些特性,I2C设备对总线的操作仅有“把线路接地”——输出逻辑0。

  I2C总线设计只使用了两条线,但相当优雅地实现任意数目设备间无缝通信,堪称完美。我们设想一下,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I2C总线的设计,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,其它发送逻辑1,那么线路看到的只有逻辑0。也就是说,如果出现电平冲突,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,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,“赢家”并不知道竞争的发生,只有“输家”发现了冲突——当它写一个逻辑1,却读到0时——而退出竞争。

  10位设备地址

  任何I2C设备都有一个7位地址,理论上,现实中只能有127种不同的I2C设备。实际上,已有I2C的设备种类远远多于这个限制,在一条总线上出现相同的地址的I2C设备的概率相当高。为了突破这个限制,很多设备使用了双重地址——7位地址加引脚地址(external configuraTIon pins)。I2C 标准也预知了这种限制,提出10位的地址方案。

  10位的地址方案对 I2C协议的影响有两点:

  § 第一,地址帧为两个字节长,原来的是一个字节;

  § 第二,第一个字节前五位最高有效位用作10位地址标识,约定是“11110”。

  spi与i2c总线协议的对比分析

  除了10位地址标识,标准还预留了一些地址码用作其它用途,如下表:

  spi与i2c总线协议的对比分析

  时钟拉伸

  在 I2C 通信中,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,当从设备没办法跟上主设备的速度时,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,而基于I²C结构的特殊性,这种机制得到实现。当从设备需要降低传输的速度的时候,它可以按下时钟线,逼迫主设备进入等待状态,直到从设备释放时钟线,通信才继续。

  高速模式

  原理上讲,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(3.4 Mbps)。在发起一次高速模式传输前,主设备必须先在低速的模式下(例如快速模式)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,高速模式必须使用额外的I/O缓冲区。另外,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。

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发表于 2017-05-08 14:40 9305次阅读
SPI、I2C、UART三种串行总线协议的区别和...

I2C是什么,什么类型设备支持I2C,为什么要使...

我相信互联网搜索引擎可为我提供可靠、快速的答案,因此当我第一次遇到I2C协议时,我首先寻求互联网搜索...

发表于 2017-04-08 01:45 3072次阅读
I2C是什么,什么类型设备支持I2C,为什么要使...

带SPI接口、尺寸最小的1Mb FRAM器件诞生...

富士通半导体(上海)有限公司日前宣布,成功推出拥有1 Mb内存的FRAM产品---MB85RS1MT...

发表于 2017-03-28 17:52 483次阅读
带SPI接口、尺寸最小的1Mb FRAM器件诞生...

7000 芯片Linux下的SPI接口与驱动配置

本文将介绍如何利用Vivado和petalinux开发Zynq7000系列芯片的SPI外设接口。

发表于 2017-03-20 14:00 538次阅读
7000 芯片Linux下的SPI接口与驱动配置

利用集成式工业接口数字隔离器减少尺寸与成本

随着竞争产品价格的降低和产品差异化需求的增加,在工业市场上生存也变得越来越艰难。同时,安全标准不见有...

发表于 2017-02-10 07:36 264次阅读
利用集成式工业接口数字隔离器减少尺寸与成本

单片机SPI通信接口

SPI 是一种高速的、全双工、同步通信总线,标准的 SPI 也仅仅使用 4 个引脚,常用于单片机和 ...

发表于 2016-12-26 15:46 2103次阅读
单片机SPI通信接口

30秒搞定IIC时序分析

在I2C总线产品的硬件测试中,验证时序是否满足标准时经常要对十几项参数进行逐一测量,工作繁琐耗时长。...

发表于 2016-12-16 09:22 2905次阅读
30秒搞定IIC时序分析

CAN、USART、SPI、SCI等常见总线技术...

随着微电子技术和计算机技术的发展,总线技术也在不断地发展和完善,而使计算机总线技术种类繁多,各具特色...

发表于 2016-07-08 14:46 3051次阅读
CAN、USART、SPI、SCI等常见总线技术...

让代码助你理解I2C总线

I2C 只是用两条双向的线,一条 Serial Data Line (SDA) ,另一条Serial...

发表于 2016-01-25 14:04 2038次阅读
让代码助你理解I2C总线

带你详细解析串行外设接口(SPI)总线时序

SPI是一个环形总线结构,由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成,其时序其实很简单,主要是在sc...

发表于 2016-01-25 13:54 1976次阅读
带你详细解析串行外设接口(SPI)总线时序

数字温度传感器系统接口:SPI、I2C 、SMB...

对于需要经常进行数据流传输的系统数据,SPI是首选,因为它拥有较快的时钟速率,速率可从几兆赫兹到几十...

发表于 2015-10-05 10:33 1268次阅读
数字温度传感器系统接口:SPI、I2C 、SMB...

使用光学鼠标传感器实现旋转测量

 本设计实例使用光学电脑鼠标中的传感器测量圆盘的旋转,其中的圆盘可以通过机械方式连接到任何一种旋转装...

发表于 2015-07-30 16:33 1418次阅读
使用光学鼠标传感器实现旋转测量

基于I2C总线图像传感器配置的FPGA实现

基于FPGA 的嵌入式图像检测系统因其快速的处理能力和灵活的编程设计使得它在工业现场的应用非常广泛,...

发表于 2015-07-24 11:08 735次阅读
基于I2C总线图像传感器配置的FPGA实现

如何通过一个差分接口来延长SPI总线

本文将介绍如何通过一个差分接口来延长串行外设接口 (SPI) 总线,而这可以应用在支持远程温度或压力...

发表于 2015-04-24 11:27 2250次阅读
如何通过一个差分接口来延长SPI总线

通过长距离I2C总线实现模拟信号数字传输

内部集成电路总线(I2C)是一种同步串行数据通信总线,其中由主器件发起通信,从器件通过寻址机制加以控...

发表于 2015-01-12 10:46 1898次阅读
通过长距离I2C总线实现模拟信号数字传输

I2C总线电平转换芯片在安防产品的应用

所谓电平转换芯片就是能连接两个不同供电电压的IC或是模块,解决这些IC或是模块的系统供电问题,使这些...

发表于 2014-05-20 11:37 4053次阅读
I2C总线电平转换芯片在安防产品的应用

基于FPGA的I2C SLAVE模式总线的设计方...

本文以标准的I2C 总线协议为基础,提出了一种基于FPGA的I2C SLAVE 模式总线的设计方案。...

发表于 2014-02-26 11:39 3506次阅读
基于FPGA的I2C SLAVE模式总线的设计方...

恩智浦推出针对高性能服务器应用的双向电压I2C总...

恩智浦半导体(NXP Semiconductors N.V.)(纳斯达克代码:NXPI)近日宣布推出...

发表于 2013-08-20 09:09 458次阅读
恩智浦推出针对高性能服务器应用的双向电压I2C总...

恩智浦推出双向电压I2C总线转换缓冲器

8月19日消息,恩智浦半导体近日宣布推出PCA9617A超快速模式I2C总线缓冲器,该产品专为DDR...

发表于 2013-08-19 14:27 778次阅读
恩智浦推出双向电压I2C总线转换缓冲器

如何利用isoSPI数据链路实现高性能车载电池管...

通过整合行之有效的数据通信技术,isoSPI提供了一种稳健和简单的标准SPI设备远程控制法,而这在以...

发表于 2013-06-14 15:21 2075次阅读
如何利用isoSPI数据链路实现高性能车载电池管...

基于I2C总线的银行排队系统接口设计

本文以银行排队系统作为例子,提出IIC总线单片机排队系统接口设计。通过IIC总线增加系统接口种类,可...

发表于 2013-04-27 14:34 790次阅读
基于I2C总线的银行排队系统接口设计

NOR闪存前景不妙,SPI NOR闪存困境获胜

今年NOR闪存营业收入预计从2012年的34.8亿美元降到34.1亿美元。NAND闪存已经成为手机与...

发表于 2013-04-10 16:15 1633次阅读
NOR闪存前景不妙,SPI NOR闪存困境获胜

意法半导体STHVDAC-304MF3支持MIP...

意法半导体STHVDAC-304MF3支持MIPI联盟射频前端(RFFE)标准,这个全新的工业标准可...

发表于 2013-04-08 09:17 495次阅读
意法半导体STHVDAC-304MF3支持MIP...

基于SoPC的SD卡文件系统的设计

本设计基于SoPC以NIOSⅡ软核处理器为控制核心,根据标准的FAT32文件系统规范,完成了对SD卡...

发表于 2013-01-04 14:19 1636次阅读
基于SoPC的SD卡文件系统的设计

稳定可靠的I2C通信的设计计算

I2C总线在单片机和其他芯片组中具有广泛的硬件支持,并且信号传递方式简单,可采用极小的硅片有效实现,...

发表于 2012-11-15 14:37 797次阅读
稳定可靠的I2C通信的设计计算

微芯首推扩展串行SRAM产品组合

本文核心思想: 美国微芯科技公司(Microchip)宣布,首次推出四款业内容量最大、速度最快的新器...

发表于 2012-08-15 09:33 636次阅读
微芯首推扩展串行SRAM产品组合

基于MSP430的智能IC卡水表控制器

本文介绍了一种以MSP430单片机为控制核心的IC卡水表控制器的设计方案。将微控制器和4442卡技术...

发表于 2012-08-09 14:37 2013次阅读
基于MSP430的智能IC卡水表控制器

Microchip推出全新10引脚SPI MCP...

Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)宣布,推出全新10引脚SPI ...

发表于 2012-08-03 09:42 413次阅读
Microchip推出全新10引脚SPI MCP...

虚拟I2C总线串行显示电路介绍

本文主要介绍了虚拟I2C总线串行显示电路,其中包括SAA1064引脚功能介绍、硬件电路设计、片内可编...

发表于 2012-07-31 16:02 2159次阅读
虚拟I2C总线串行显示电路介绍

I2C总线键盘电路以及驱动程序设计

  I2C 需要连线少,仅需一条串行时钟线和一条串行数据线。允许多主机控制,具有裁决和同步功能,可随...

发表于 2012-06-19 11:28 3960次阅读
I2C总线键盘电路以及驱动程序设计

常见的数字接口的简化示意图

下图显示的是:工业应用中最为常见的数字接口的简化示意图。

发表于 2012-05-25 16:48 886次阅读
常见的数字接口的简化示意图

设计一个属于您自己的简易I2C隔离器

通常产品设计时间非常紧张,用于新产品设计的资金也并不宽余。但不管怎样,我们都必须要在不增加成本的前提...

发表于 2012-05-24 15:20 652次阅读
设计一个属于您自己的简易I2C隔离器