SPI和IIC技術(shù)的應(yīng)用和比較

1、嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱： SPI和IIC技術(shù)的應(yīng)用和比較 專業(yè)班級(jí)： 05物電4 學(xué)生姓名： 徐偉 指導(dǎo)教師： 徐健 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2008.12.92007.12.23 SPI和IIC技術(shù)的應(yīng)用和比較一、spi技術(shù)應(yīng)用我們通常所說的SPI（SCSI Parallel Interface）是指并行SCSI，它是SCSI-3協(xié)議族中的一員。目前已投入應(yīng)用的最高版本是SPI的第四代（SPI-4），即商業(yè)領(lǐng)域統(tǒng)稱的Ultra320 SCSI。目前，SPI的第五代也在不斷完善之中。SPI標(biāo)準(zhǔn)是從最初的SPI-1不斷發(fā)展起來的。最初的SPI-1只定義了20MHz的總線信號(hào)，可提供40MB/s的速率

2、，它在1996年就被SPI-2替代了。SPI-2除了將信號(hào)頻率由20MHz提升到40MHz外，還定義了一些新的特性，包括低電壓差分信號(hào)傳輸、多模式操作和高密度連接器等。1998年推出的SPI-3又在SPI-2的基礎(chǔ)上，將信號(hào)頻率由40MHz提升到80MHz，并定義了循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）、域確認(rèn)機(jī)制、快速仲裁選擇（QAS）和包封裝SCSI機(jī)制。2001年問世的SPI-4進(jìn)一步將SPI-3的信號(hào)頻率由80MHz提升到160MHz，同時(shí)增加了讀寫數(shù)據(jù)流和流控制機(jī)制。20多年來，SCSI應(yīng)用的廣度和深度都在不斷拓展，被譽(yù)為總線界的長(zhǎng)青樹。目前，無論是SPI-4還是SPI-5，在充分繼承SCSI傳統(tǒng)優(yōu)

3、勢(shì)和不斷提高信號(hào)頻率的同時(shí)，廣泛采用了CRC、包封裝SCSI、QAS和流控制等一系列新技術(shù)，使并行SCSI的整體性能得到大幅度提高，且更加安全可靠，為并行SCSI更好的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。SPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結(jié)構(gòu)，四條導(dǎo)線分別為串行時(shí)鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信號(hào)。主器件為時(shí)鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或?qū)憦钠骷僮?。這時(shí)主器件將與一個(gè)從器件進(jìn)行對(duì)話。當(dāng)總線上存在多個(gè)從器件時(shí)，要發(fā)起一次傳輸，主器件將把該從器件選擇線拉低，然后分別通過 MOSI 和 MISO 線啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。SPI 時(shí)鐘速度很快，范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫

4、茲，且沒有系統(tǒng)開銷。SPI 在系統(tǒng)管理方面的缺點(diǎn)是缺乏流控機(jī)制，無論主器件還是從器件均不對(duì)消息進(jìn)行確認(rèn)，主器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設(shè)計(jì)聰明的軟件機(jī)制來處理確認(rèn)問題。同時(shí)，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復(fù)雜的軟件和外部邏輯來實(shí)現(xiàn)多主器件架構(gòu)。每個(gè)從器件需要一個(gè)單獨(dú)的從選擇信號(hào)?？傂盘?hào)數(shù)最終為 n+3 個(gè)，其中 n 是總線上從器件的數(shù)量。因此，導(dǎo)線的數(shù)量將隨增加的從器件的數(shù)量按比例增長(zhǎng)。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對(duì)于額外添加的每個(gè)從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯。圖 2 顯示了典型的 SPI 讀/寫周期。在地址或命令字節(jié)后面跟有一個(gè)讀/寫位。

5、數(shù)據(jù)通過 MOSI 信號(hào)寫入從器件，通過 MISO 信號(hào)自從器件中讀出。實(shí)例程序：二、IIC技術(shù)應(yīng)用1    什么是IIC？    IIC 是作為英特爾IC 的互補(bǔ)，這種總線類型是由菲利浦半導(dǎo)體公司在八十年代初設(shè)計(jì)出來的，主要是用來連接整體電路(ICS) ，IIC是一種多向控制總線，也就是說多個(gè)芯片可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時(shí)每個(gè)芯片都可以作為實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃?。這種方式簡(jiǎn)化了信號(hào)傳輸總線。例如：內(nèi)存中的SPD信息,通過IIC，與BX芯片組聯(lián)系，IIC 存在于英特爾PIIX4結(jié)構(gòu)體系中。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，把

6、CPU和一個(gè)單獨(dú)工作系統(tǒng)所必需的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外圍電路集成在一個(gè)單片內(nèi)而制成的單片機(jī)或微控制器愈來愈方便。目前，世界上許多公司生產(chǎn)單片機(jī)，品種很多。其中包括各種字長(zhǎng)的CPU，各種容量的ROM、RAM以及功能各異的I/O接口電路等等，但是，單片機(jī)的品種規(guī)格仍然有限，所以只能選用某種單片機(jī)來進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展的方法有兩種：一種是并行總線，另一種是串行總線。由于串行總線的連線少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往不用專門的母板和插座而直接用導(dǎo)線連接各個(gè)設(shè)備。因此，采用串行線可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。PHILIPS公司早在十幾年前就推出了I2C串行總線，利用該總線可實(shí)現(xiàn)多主機(jī)系統(tǒng)所需的裁決和高低

7、速設(shè)備同步等功能。因此，這是一種高性能的串行總線。 I2C(InterIntegrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇。可隨時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。   2    I2C總線特點(diǎn)    I2C總線最主

8、要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。總線的長(zhǎng)度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。  3    I2C總線工作原理     3.1 總線的構(gòu)成及信號(hào)類型     I2C總

9、線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量?jī)刹糠?，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。

10、    I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號(hào)， 它們分別是：開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。    開始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。    結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。     應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信

11、號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。     目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲(chǔ)器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。  4    總線基本操作     I2C規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線

12、必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。參見圖1。圖1 串行總線上的數(shù)據(jù)傳送順序 4.1 控制字節(jié)     在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識(shí)別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫操作。如圖2所示。圖2 控制字節(jié)配置4.2 寫操作    

13、寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種操作，對(duì)于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。關(guān)于頁面寫的地址、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序參見圖3。   圖3 頁面寫4.3 讀操作     讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時(shí)序圖。應(yīng)當(dāng)注意的是：最后一個(gè)讀操作的第9個(gè)時(shí)鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作，主機(jī)必須在第9個(gè)周期間發(fā)出停止條件或者在第9個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。圖4 順序讀5    實(shí)例：X24C04與MCS-51單片機(jī)軟硬件的實(shí)現(xiàn)  &#

14、160;  X24C04是XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM，內(nèi)部組織成512×8位。16字節(jié)頁面寫。與MCS-51單片機(jī)接口如圖5所示。由于SDA是漏極開路輸出，且可以與任何數(shù)目的漏極開路或集電極 開路輸出“線或”（wire-Ored）連接。上拉電阻的選擇可參考X24C04的數(shù)據(jù)手冊(cè)。下面是通過I2C接口對(duì)X24C04進(jìn)行單字節(jié)寫操作的例程。流程圖及源程序如下： 圖5 X24C04與51單片機(jī)接口；名稱：BSENT ；描述：寫字節(jié) ；功能：寫一個(gè)字節(jié) ；調(diào)用程序：無 ；輸入?yún)?shù)：A ；輸出參數(shù)：無 BSEND: MOV R2,#08H ；1字節(jié)

15、8位 SENDA: CLR P3.2      ； RLC A                ；左移一位 MOV P3.3,C           ；寫一位SETB P3.2 DJNZ R2,SENDA        ；寫完8個(gè)字

16、節(jié)？ CLR P3.2             ；應(yīng)答信號(hào) SETB P3.3 SETB P3.2 RET 圖6 流程圖6   結(jié)束語     在I2C總線的應(yīng)用中應(yīng)注意的事項(xiàng)總結(jié)為以下幾點(diǎn) :     1） 嚴(yán)格按照時(shí)序圖的要求進(jìn)行操作，     2） 若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機(jī)接口連接，可以不外加上拉電阻。     3） 程序中

17、為配合相應(yīng)的傳輸速率，在對(duì)口線操作的指令后可用NOP指令加一定的延時(shí)。     4） 為了減少意外的干擾信號(hào)將EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)改寫可用外部寫保護(hù)引腳（如果有），或者在EEPROM內(nèi)部沒有用的空間寫入標(biāo)志字，每次上電時(shí)或復(fù)位時(shí)做一次檢測(cè)，判斷EEPROM是否被意外改寫。對(duì)于需要經(jīng)常進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)，SPI是首選，因?yàn)樗鼡碛休^快的時(shí)鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對(duì)于系統(tǒng)管理活動(dòng)，如讀取溫度傳感器的讀數(shù)和查詢多個(gè)從器件的狀態(tài)，或者需要多個(gè)主器件共存于同一系統(tǒng)總線上(系統(tǒng)冗余常會(huì)要求這一點(diǎn))，或者面向低功耗應(yīng)用，這時(shí)I2C 或 SMBus將是首選

18、接口。下面幾部分將介紹每種串行總線及其優(yōu)缺點(diǎn)。1. SPISPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結(jié)構(gòu)，四條導(dǎo)線分別為串行時(shí)鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信號(hào)。主器件為時(shí)鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或?qū)憦钠骷僮?。這時(shí)主器件將與一個(gè)從器件進(jìn)行對(duì)話。當(dāng)總線上存在多個(gè)從器件時(shí)，要發(fā)起一次傳輸，主器件將把該從器件選擇線拉低，然后分別通過 MOSI 和 MISO 線啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送三、IIC與SPI比較1. SPISPI 時(shí)鐘速度很快，范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲，且沒有系統(tǒng)開銷。SPI 在系統(tǒng)管理方面的缺點(diǎn)是缺乏流控機(jī)制，無論主器件還是從器件均不對(duì)消息進(jìn)行確認(rèn)，主

19、器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設(shè)計(jì)聰明的軟件機(jī)制來處理確認(rèn)問題。同時(shí)，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復(fù)雜的軟件和外部邏輯來實(shí)現(xiàn)多主器件架構(gòu)。每個(gè)從器件需要一個(gè)單獨(dú)的從選擇信號(hào)。總信號(hào)數(shù)最終為 n+3 個(gè)，其中 n 是總線上從器件的數(shù)量。因此，導(dǎo)線的數(shù)量將隨增加的從器件的數(shù)量按比例增長(zhǎng)。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對(duì)于額外添加的每個(gè)從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯。圖 2 顯示了典型的 SPI 讀/寫周期。在地址或命令字節(jié)后面跟有一個(gè)讀/寫位。數(shù)據(jù)通過 MOSI 信號(hào)寫入從器件，通過 MISO 信號(hào)自從器件中讀出。2. I2C總線I2C 是一種二線

20、制串行總線接口，工作在主/從模式。二線通信信號(hào)分別為開漏 SCL 和 SDA 串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)。主器件為時(shí)鐘源。數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，其方向取決于讀/寫位的狀態(tài)。每個(gè)從器件擁有一個(gè)唯一的 7 或 10 位地址。主器件通過一個(gè)起始位發(fā)起一次傳輸，通過一個(gè)停止位終止一次傳輸。起始位之后為唯一的從器件地址，再后為讀/寫位。I2C總線速度為從0Hz到3.4MHz。它沒有SPI 那樣快，但對(duì)于系統(tǒng)管理器件如溫度傳感器來說則非常理想。I2C 存在系統(tǒng)開銷，這些開銷包括起始位/停止位、確認(rèn)位和從地址位，但它因此擁有流控機(jī)制。主器件在完成接收來自從器件的數(shù)據(jù)時(shí)總是發(fā)送一個(gè)確認(rèn)位，除非其準(zhǔn)備終止傳輸。從器件在其接

21、收到來自主器件的命令或數(shù)據(jù)時(shí)總是發(fā)送一個(gè)確認(rèn)位。當(dāng)從器件未準(zhǔn)備好時(shí)，它可以保持或延展時(shí)鐘，直到其再次準(zhǔn)備好響應(yīng)。I2C允許多個(gè)主器件工作在同一總線上。多個(gè)主器件可以輕松同步其時(shí)鐘，因此所有主器件均采用同一時(shí)鐘進(jìn)行傳輸。多個(gè)主器件可以通過數(shù)據(jù)仲裁檢測(cè)哪一個(gè)主器件正在使用總線，從而避免數(shù)據(jù)破壞。由于 I2C總線只有兩條導(dǎo)線，因此新從器件只需接入總線即可，而無需附加邏輯。3. SMBusSMBus是一種二線制串行總線，1996年第一版規(guī)范開始商用。它大部分基于I2C總線規(guī)范。和 I2C一樣，SMBus不需增加額外引腳，創(chuàng)建該總線主要是為了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且專門面向智能電池管理應(yīng)用。它工作在主/從模式：主器件提供時(shí)鐘，在其發(fā)起一次傳輸時(shí)提供一個(gè)起始位，在其終止一次傳輸時(shí)提供一個(gè)停止位；從器件擁有一個(gè)唯一的7或10位從器件地址。SMBus與I2C總線之間在時(shí)序特性