可控制多外设的SPI/I²C总线

通信

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

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。

芯片间电路接口(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

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。

王栋春 · 2020-10-1 20:52:11

学习了解一下

刘能 · 2020-10-1 21:44:16

学习一下看看电源线

h1654156029.1564 · 2020-11-13 09:21:45

感谢分享，了解一下

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