通信接口介绍

一IIC通信现今，在低端数字通信应用领域，我们随处可见IIC (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 IIC）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。

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’，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。

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。

IIC(INTER IC BUS)IIC的数据输入输出用的是一根线，但是由于IIC的数据线是双向的，所以隔离比较复杂，SPI则比较容易。

所以系统内部通信可用IIC,若要与外部通信则最好用SPI带隔离（可以提高抗干扰能力）。

但是IIC和SPI都不适合长距离传输。

IIC总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。

在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。

IIC通信:是两根线，发送的开始状态和结束状态都与SCL有关，SDA上先发送设备地址，后发送寄存器地址和数据。

硬件简单，软件协议稍微多点，比如开始状态，结束状态，数据变化状态对时序都有严格要求IIC 是多主设备的总线，IIC没有物理的芯片选择信号线，没有仲裁逻辑电路，只使用两条信号线——‘serial data’(SDA) 和‘serial clock’(SCL)。

IIC协议规定：1.每一支IIC设备都有一个唯一的七位设备地址；2. 数据帧大小为8位的字节；3. 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。

IIC 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。

基于IIC总线的物理结构，总线上的START和STOP信号必定是唯一的。

另外，IIC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。

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，在总线没用工作的情况下，两根线默认为高电平。

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，IIC设备对总线的操作仅有“把线路接地”——输出逻辑0。

IIC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IIC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“写一个逻辑1，却读到0时——而退出竞争。

10位设备地址: 任何IIC设备都有一个7位地址，理论上，现实中只能有127种不同的IIC设备。

实际上，已有IIC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IIC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）。

IIC 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IIC协议的影响有两点：1.地址帧为两个字节长，原来的是一个字节；2. 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”。

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：时钟拉伸: 在IIC 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。

IIC vs SPI: 哪位是赢家？我们来对比一下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如此的流行，它是任何一位嵌入式工程师必备的工具。

二SPI通信SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口);同步串口通信，全双工，SPI接口速度可达到10MHZ。

是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的SPI则分为data IN和data OUT。

由于这个原因，采用IIC时CPU的端口占用少，SPI多一根。

SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。

SPI 总线可以实现多个SPI设备互相连接。

提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。

主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。

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）：SCLK: Serial Clock (output from master);同步串行时钟。

输出从主。

MOSI; SIMO: Master Output, Slave Input(output from master);主输出，从输入MISO; SOMI: Master Input, Slave Output(output from slave);主输入，从输出SS: Slave Select (active low, outputfrom master).从选择，由主控制（高低电平有效）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。