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IIC vs SPI 現今，在低端數字通信應用領(lǐng)域，我們隨處可見(jiàn)IIC (Inter-Integrated Circuit) 和 SPI (Serial Peripheral Interface)的身影。原因是這兩種通信協(xié)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(chǎng)需求制定了這兩種標準通信協(xié)議。 IIC 開(kāi)發(fā)于1982年，當時(shí)是為了給電視機內的CPU和外圍芯片提供更簡(jiǎn)易的互聯(lián)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(lái)互聯(lián)微控制器和外圍設備的。要實(shí)現內存映射，設備必須并聯(lián)入微控制器的數據線(xiàn)和地址線(xiàn)，這種方式在連接多個(gè)外設時(shí)需大量線(xiàn)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(jiǎn)單，成本更低，位于荷蘭的Philips實(shí)驗室開(kāi)發(fā)了 ‘Inter-Integrated Circuit’，IIC 或 IIC ，一種只使用二根線(xiàn)接連所有外圍芯片的總線(xiàn)協(xié)議。最初的標準定義總線(xiàn)速度為100kbps。經(jīng)歷幾次修訂，主要是1995年的400kbps，1998的3.4Mbps。 有跡象表明，SPI總線(xiàn)首次推出是在1979年，Motorola公司將SPI總線(xiàn)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(xiàn)是微控制器四線(xiàn)的外部總線(xiàn)（相對于內部總線(xiàn)）。與IIC不同，SPI沒(méi)有明文標準，只是一種事實(shí)標準，對通信操作的實(shí)現只作一般的抽象描述，芯片廠(chǎng)商與驅動(dòng)開(kāi)發(fā)者通過(guò)data sheets和application notes溝通實(shí)現上的細節。 SPI 對于有經(jīng)驗的數字電子工程師來(lái)說(shuō)，用SPI互聯(lián)兩支數字設備是相當直觀(guān)的。SPI是種四根信號線(xiàn)協(xié)議（如圖）： 
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［單主設備（ single-master ）］通信協(xié)議，這意味著(zhù)總線(xiàn)中的只有一支中心設備能發(fā)起通信。當SPI主設備想讀/寫(xiě)［從設備］時(shí)，它首先拉低［從設備］對應的SS線(xiàn)（SS是低電平有效），接著(zhù)開(kāi)始發(fā)送工作脈沖到時(shí)鐘線(xiàn)上，在相應的脈沖時(shí)間上，［主設備］把信號發(fā)到MOSI實(shí)現“寫(xiě)”，同時(shí)可對MISO采樣而實(shí)現“讀”，如下圖：
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(shí)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(shí)鐘脈沖的穩定電平值（就是時(shí)鐘信號無(wú)效時(shí)是高還是低）。每種模式由一對參數刻畫(huà)，它們稱(chēng)為時(shí)鐘極（clock polarity）CPOL與時(shí)鐘期（clock phase）CPHA。
［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(gè)［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(xiě)不同［從設備］間重新配置這些參數。以上SPI總線(xiàn)協(xié)議的主要內容。SPI不規定最大傳輸速率，沒(méi)有地址方案；SPI也沒(méi)規定通信應答機制，沒(méi)有規定流控制規則。事實(shí)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(guò)SPI協(xié)議以外自行實(shí)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(shí)現更高級的通信協(xié)議。SPI并不關(guān)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(shí)鐘脈沖和以字節為單位傳輸數據的，但現在有很多變種實(shí)現了連續性時(shí)間脈沖和任意長(cháng)度的數據幀。 IIC 與SPI的單主設備不同，IIC 是多主設備的總線(xiàn)，IIC沒(méi)有物理的芯片選擇信號線(xiàn)，沒(méi)有仲裁邏輯電路，只使用兩條信號線(xiàn)—— ‘serial data’ (SDA) 和 ‘serial clock’ (SCL)。IIC協(xié)議規定： 第一，每一支IIC設備都有一個(gè)唯一的七位設備地址； 第二，數據幀大小為8位的字節； 第三，數據（幀）中的某些數據位用于控制通信的開(kāi)始、停止、方向（讀寫(xiě)）和應答機制。 IIC 數據傳輸速率有標準模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些變種實(shí)現了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。 物理實(shí)現上，IIC 總線(xiàn)由兩根信號線(xiàn)和一根地線(xiàn)組成。兩根信號線(xiàn)都是雙向傳輸的，參考下圖。IIC協(xié)議標準規定發(fā)起通信的設備稱(chēng)為主設備，主設備發(fā)起一次通信后，其它設備均為從設備。
IIC 通信過(guò)程大概如下。首先，主設備發(fā)一個(gè)START信號，這個(gè)信號就像對所有其它設備喊：請大家注意！然后其它設備開(kāi)始監聽(tīng)總線(xiàn)以準備接收數據。接著(zhù)，主設備發(fā)送一個(gè)7位設備地址加一位的讀寫(xiě)操作的數據幀。當所設備接收數據后，比對地址自己是否目標設備。如果比對不符，設備進(jìn)入等待狀態(tài)，等待STOP信號的來(lái)臨；如果比對相符，設備會(huì )發(fā)送一個(gè)應答信號——ACKNOWLEDGE作回應。 當主設備收到應答后便開(kāi)始傳送或接收數據。數據幀大小為8位，尾隨一位的應答信號。主設備發(fā)送數據，從設備應答；相反主設備接數據，主設備應答。當數據傳送完畢，主設備發(fā)送一個(gè)STOP信號，向其它設備宣告釋放總線(xiàn)，其它設備回到初始狀態(tài)。
基于IIC總線(xiàn)的物理結構，總線(xiàn)上的START和STOP信號必定是唯一的。另外，IIC總線(xiàn)標準規定SDA線(xiàn)的數據轉換必須在SCL線(xiàn)的低電平期，在SCL線(xiàn)的高電平期，SDA線(xiàn)的上數據是穩定的。
在物理實(shí)現上，SCL線(xiàn)和SDA線(xiàn)都是漏極開(kāi)路（open-drain），通過(guò)上拉電阻外加一個(gè)電壓源。當把線(xiàn)路接地時(shí)，線(xiàn)路為邏輯0，當釋放線(xiàn)路，線(xiàn)路空閑時(shí)，線(xiàn)路為邏輯1�；谶@些特性，IIC設備對總線(xiàn)的操作僅有“把線(xiàn)路接地”——輸出邏輯0。 IIC總線(xiàn)設計只使用了兩條線(xiàn)，但相當優(yōu)雅地實(shí)現任意數目設備間無(wú)縫通信，堪稱(chēng)完美。我們設想一下，如果有兩支設備同時(shí)向SCL線(xiàn)和SDA線(xiàn)發(fā)送信息會(huì )出現什么情況。 基于IIC總線(xiàn)的設計，線(xiàn)路上不可能出現電平?jīng)_突現象。如果一支設備發(fā)送邏輯0，其它發(fā)送邏輯1，那么線(xiàn)路看到的只有邏輯0。也就是說(shuō)，如果出現電平?jīng)_突，發(fā)送邏輯0的始終是“贏(yíng)家”。 總線(xiàn)的物理結構亦允許主設備在往總線(xiàn)寫(xiě)數據的同時(shí)讀取數據。這樣，任何設備都可以檢測沖突的發(fā)生。當兩支主設備競爭總線(xiàn)的時(shí)候，“贏(yíng)家”并不知道競爭的發(fā)生，只有“輸家”發(fā)現了沖突——當它寫(xiě)一個(gè)邏輯1，卻讀到0時(shí)——而退出競爭。 10位設備地址 任何IIC設備都有一個(gè)7位地址，理論上，現實(shí)中只能有127種不同的IIC設備。實(shí)際上，已有IIC的設備種類(lèi)遠遠多于這個(gè)限制，在一條總線(xiàn)上出現相同的地址的IIC設備的概率相當高。為了突破這個(gè)限制，很多設備使用了雙重地址——7位地址加引腳地址（external configuration pins）。IIC 標準也預知了這種限制，提出10位的地址方案。 10位的地址方案對 IIC協(xié)議的影響有兩點(diǎn)： 第一，地址幀為兩個(gè)字節長(cháng)，原來(lái)的是一個(gè)字節； 第二，第一個(gè)字節前五位最高有效位用作10位地址標識，約定是“11110”。
除了10位地址標識，標準還預留了一些地址碼用作其它用途，如下表：
時(shí)鐘拉伸 在 IIC 通信中，主設備決定了時(shí)鐘速度。因為時(shí)鐘脈沖信號是由主設備顯式發(fā)出的。但是，當從設備沒(méi)辦法跟上主設備的速度時(shí)，從設備需要一種機制來(lái)請求主設備慢一點(diǎn)。這種機制稱(chēng)為時(shí)鐘拉伸，而基于I2C結構的特殊性，這種機制得到實(shí)現。當從設備需要降低傳輸的速度的時(shí)候，它可以按下時(shí)鐘線(xiàn)，逼迫主設備進(jìn)入等待狀態(tài)，直到從設備釋放時(shí)鐘線(xiàn)，通信才繼續。 高速模式 原理上講，使用上拉電阻來(lái)設置邏輯1會(huì )限制總線(xiàn)的最大傳輸速度。而速度是限制總線(xiàn)應用的因素之一。這也說(shuō)明為什么要引入高速模式（3.4 Mbps）。在發(fā)起一次高速模式傳輸前，主設備必須先在低速的模式下（例如快速模式）發(fā)出特定的“High Speed Master”信號。為縮短信號的周期和提高總線(xiàn)速度，高速模式必須使用額外的I/O緩沖區。另外，總線(xiàn)仲裁在高速模式下可屏蔽掉。更多的信息請參與總線(xiàn)標準文檔。 IIC vs SPI: 哪位是贏(yíng)家？ 我們來(lái)對比一下IIC 和 SPI的一些關(guān)鍵點(diǎn)： 第一，總線(xiàn)拓撲結構/信號路由/硬件資源耗費 IIC 只需兩根信號線(xiàn)，而標準SPI至少四根信號，如果有多個(gè)從設備，信號需要更多。一些SPI變種雖然只使用三根線(xiàn)——SCLK, SS和雙向的MISO/MOSI，但SS線(xiàn)還是要和從設備一對一根。另外，如果SPI要實(shí)現多主設備結構，總線(xiàn)系統需額外的邏輯和線(xiàn)路。用IIC 構建系統總線(xiàn)唯一的問(wèn)題是有限的7位地址空間，但這個(gè)問(wèn)題新標準已經(jīng)解決——使用10位地址。從第一點(diǎn)上看，IIC是明顯的大贏(yíng)家。 第二，數據吞吐/傳輸速度 如果應用中必須使用高速數據傳輸，那么SPI是必然的選擇。因為SPI是全雙工，IIC 的不是。SPI沒(méi)有定義速度限制，一般的實(shí)現通常能達到甚至超過(guò)10 Mbps。IIC 最高的速度也就快速+模式（1 Mbps）和高速模式（3.4 Mbps），后面的模式還需要額外的I/O緩沖區，還并不是總是容易實(shí)現的。 第三，優(yōu)雅性 IIC 常被稱(chēng)更優(yōu)雅于SPI。公正的說(shuō)，我們更傾向于認為兩者同等優(yōu)雅和健壯。IIC的優(yōu)雅在于它的特色——用很輕盈的架構實(shí)現了多主設備仲裁和設備路由。但是對使用的工程師來(lái)講，理解總線(xiàn)結構更費勁，而且總線(xiàn)的性能不高。 SPI的優(yōu)點(diǎn)在于它的結構相當的直觀(guān)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，并且有很好擴展性。SPI的簡(jiǎn)單性不足稱(chēng)其優(yōu)雅，因為要用SPI搭建一個(gè)有用的通信平臺，還需要在SPI之上構建特定的通信協(xié)議軟件。也就是說(shuō)要想獲得SPI特有而IIC沒(méi)有的特性——高速性能，工程師們需要付出更多的勞動(dòng)。另外，這種自定的工作是完全自由的，這也說(shuō)明為什么SPI沒(méi)有官方標準。IIC和SPI都對低速設備通信提供了很好的支持，不過(guò)，SPI適合數據流應用，而IIC更適合“字節設備”的多主設備應用。 小結 在數字通信協(xié)議簇中，IIC和SPI常稱(chēng)為“小”協(xié)議，相對Ethernet, USB, SATA, PCI-Express等傳輸速度達數百上千兆字節每秒的總線(xiàn)。但是，我們不能忘記的是各種總線(xiàn)的用途是什么�！按蟆眳f(xié)議是用于系統外的整個(gè)系統之間通信的，“小”協(xié)議是用于系統內各芯片間的通信，沒(méi)有跡象表明“大”協(xié)議有必要取代“小”協(xié)議。IIC和SPI的存在和流行體現了“夠用就好”的哲學(xué)�；貞氖�，IIC和SPI如此流行，它是任何一位嵌入式工程師必備的工具。 |
