总线I2C和SPI详解

IIC vs SPI

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。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）：

•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。

［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。

IIC

与SPI的单主设备不同，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：

•第一，每一支IIC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。

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。