SPI和IIC技術的應用和比較

1、嵌入式系統(tǒng)課程設計報告課題名稱： SPI和IIC技術的應用和比較 專業(yè)班級： 05物電4 學生姓名： 徐偉 指導教師： 徐健 設計時間： 2008.12.92007.12.23 SPI和IIC技術的應用和比較一、spi技術應用我們通常所說的SPI（SCSI Parallel Interface）是指并行SCSI，它是SCSI-3協(xié)議族中的一員。目前已投入應用的最高版本是SPI的第四代（SPI-4），即商業(yè)領域統(tǒng)稱的Ultra320 SCSI。目前，SPI的第五代也在不斷完善之中。SPI標準是從最初的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，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的基礎上，將信號頻率由40MHz提升到80MHz，并定義了循環(huán)冗余校驗（CRC）、域確認機制、快速仲裁選擇（QAS）和包封裝SCSI機制。2001年問世的SPI-4進一步將SPI-3的信號頻率由80MHz提升到160MHz，同時增加了讀寫數據流和流控制機制。20多年來，SCSI應用的廣度和深度都在不斷拓展，被譽為總線界的長青樹。目前，無論是SPI-4還是SPI-5，在充分繼承SCSI傳統(tǒng)優(yōu)

3、勢和不斷提高信號頻率的同時，廣泛采用了CRC、包封裝SCSI、QAS和流控制等一系列新技術，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更好的應用奠定了堅實的基礎。SPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結構，四條導線分別為串行時鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信號。主器件為時鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或寫從器件操作。這時主器件將與一個從器件進行對話。當總線上存在多個從器件時，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 線啟動數據發(fā)送或接收。SPI 時鐘速度很快，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)管理方面的缺點是缺乏流控機制，無論主器件還是從器件均不對消息進行確認，主器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設計聰明的軟件機制來處理確認問題。同時，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復雜的軟件和外部邏輯來實現(xiàn)多主器件架構。每個從器件需要一個單獨的從選擇信號。總信號數最終為 n+3 個，其中 n 是總線上從器件的數量。因此，導線的數量將隨增加的從器件的數量按比例增長。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對于額外添加的每個從器件，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)后面跟有一個讀/寫位。

5、數據通過 MOSI 信號寫入從器件，通過 MISO 信號自從器件中讀出。實例程序：二、IIC技術應用1    什么是IIC？    IIC 是作為英特爾IC 的互補，這種總線類型是由菲利浦半導體公司在八十年代初設計出來的，主要是用來連接整體電路(ICS) ，IIC是一種多向控制總線，也就是說多個芯片可以連接到同一總線結構下，同時每個芯片都可以作為實施數據傳輸的控制源。這種方式簡化了信號傳輸總線。例如：內存中的SPD信息,通過IIC，與BX芯片組聯(lián)系，IIC 存在于英特爾PIIX4結構體系中。 隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，把

6、CPU和一個單獨工作系統(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單片內而制成的單片機或微控制器愈來愈方便。目前，世界上許多公司生產單片機，品種很多。其中包括各種字長的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，單片機的品種規(guī)格仍然有限，所以只能選用某種單片機來進行擴展。擴展的方法有兩種：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，結構簡單，往往不用專門的母板和插座而直接用導線連接各個設備。因此，采用串行線可大大簡化系統(tǒng)的硬件設計。PHILIPS公司早在十幾年前就推出了I2C串行總線，利用該總線可實現(xiàn)多主機系統(tǒng)所需的裁決和高低

7、速設備同步等功能。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備。I2C總線產生于在80年代，最初為音頻和視頻設備開發(fā)，如今主要在服務器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進行查詢，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)風扇?？呻S時監(jiān)控內存、硬盤、網絡、系統(tǒng)溫度等多個參數，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。   2    I2C總線特點    I2C總線最主

8、要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。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量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。  3    I2C總線工作原理     3.1 總線的構成及信號類型     I2C總

9、線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個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)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調整的類別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。

10、    I2C總線在傳送數據過程中共有三種類型信號， 它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。    開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。    結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。     應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據后，向發(fā)送數據的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信

11、號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。     目前有很多半導體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。  4    總線基本操作     I2C規(guī)程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數據到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數據則定義為接收器。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，主器件產生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產生起始和停止條件。SDA線上的數據狀態(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 串行總線上的數據傳送順序 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別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作。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，對于頁面寫根據芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。關于頁面寫的地址、應答和數據傳送的時序參見圖3。   圖3 頁面寫4.3 讀操作     讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應當注意的是：最后一個讀操作的第9個時鐘周期不是“不關心”。為了結束讀操作，主機必須在第9個周期間發(fā)出停止條件或者在第9個時鐘周期內保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。圖4 順序讀5    實例：X24C04與MCS-51單片機軟硬件的實現(xiàn)  &#

14、160;  X24C04是XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM，內部組織成512×8位。16字節(jié)頁面寫。與MCS-51單片機接口如圖5所示。由于SDA是漏極開路輸出，且可以與任何數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的數據手冊。下面是通過I2C接口對X24C04進行單字節(jié)寫操作的例程。流程圖及源程序如下： 圖5 X24C04與51單片機接口；名稱：BSENT ；描述：寫字節(jié) ；功能：寫一個字節(jié) ；調用程序：無 ；輸入參數：A ；輸出參數：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個字

16、節(jié)？ CLR P3.2             ；應答信號 SETB P3.3 SETB P3.2 RET 圖6 流程圖6   結束語     在I2C總線的應用中應注意的事項總結為以下幾點 :     1） 嚴格按照時序圖的要求進行操作，     2） 若與口線上帶內部上拉電阻的單片機接口連接，可以不外加上拉電阻。     3） 程序中

17、為配合相應的傳輸速率，在對口線操作的指令后可用NOP指令加一定的延時。     4） 為了減少意外的干擾信號將EEPROM內的數據改寫可用外部寫保護引腳（如果有），或者在EEPROM內部沒有用的空間寫入標志字，每次上電時或復位時做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫。對于需要經常進行數據流傳輸的系統(tǒng)數據，SPI是首選，因為它擁有較快的時鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對于系統(tǒng)管理活動，如讀取溫度傳感器的讀數和查詢多個從器件的狀態(tài)，或者需要多個主器件共存于同一系統(tǒng)總線上(系統(tǒng)冗余常會要求這一點)，或者面向低功耗應用，這時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。1. SPISPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結構，四條導線分別為串行時鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信號。主器件為時鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或寫從器件操作。這時主器件將與一個從器件進行對話。當總線上存在多個從器件時，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 線啟動數據發(fā)送三、IIC與SPI比較1. SPISPI 時鐘速度很快，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)管理方面的缺點是缺乏流控機制，無論主器件還是從器件均不對消息進行確認，主

19、器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設計聰明的軟件機制來處理確認問題。同時，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復雜的軟件和外部邏輯來實現(xiàn)多主器件架構。每個從器件需要一個單獨的從選擇信號?？傂盘枖底罱K為 n+3 個，其中 n 是總線上從器件的數量。因此，導線的數量將隨增加的從器件的數量按比例增長。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對于額外添加的每個從器件，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)后面跟有一個讀/寫位。數據通過 MOSI 信號寫入從器件，通過 MISO 信號自從器件中讀出。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。二線通信信號分別為開漏 SCL 和 SDA 串行時鐘和串行數據。主器件為時鐘源。數據傳輸是雙向的，其方向取決于讀/寫位的狀態(tài)。每個從器件擁有一個唯一的 7 或 10 位地址。主器件通過一個起始位發(fā)起一次傳輸，通過一個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、確認位和從地址位，但它因此擁有流控機制。主器件在完成接收來自從器件的數據時總是發(fā)送一個確認位，除非其準備終止傳輸。從器件在其接

21、收到來自主器件的命令或數據時總是發(fā)送一個確認位。當從器件未準備好時，它可以保持或延展時鐘，直到其再次準備好響應。I2C允許多個主器件工作在同一總線上。多個主器件可以輕松同步其時鐘，因此所有主器件均采用同一時鐘進行傳輸。多個主器件可以通過數據仲裁檢測哪一個主器件正在使用總線，從而避免數據破壞。由于 I2C總線只有兩條導線，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用。它工作在主/從模式：主器件提供時鐘，在其發(fā)起一次傳輸時提供一個起始位，在其終止一次傳輸時提供一個停止位；從器件擁有一個唯一的7或10位從器件地址。SMBus與I2C總線之間在時序特性