本應(yīng)用筆記比較了大多數(shù)模擬IC使用的兩種常見(jiàn)串行數(shù)字接口： SPI?或 3 線(xiàn)，和I2C或 2 線(xiàn)。每個(gè)串行接口都為許多設(shè)計(jì)提供了優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)，具體取決于所需的數(shù)據(jù)速率、空間可用性和噪聲考慮等標(biāo)準(zhǔn)。本應(yīng)用筆記討論了這兩種串行接口之間的差異，并提供了詳細(xì)演示每個(gè)接口的示例。

介紹

雖然現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)總是模擬的，但如今越來(lái)越多的模擬IC通過(guò)數(shù)字接口進(jìn)行通信。串行接口在提供串行時(shí)鐘的主設(shè)備和從/外設(shè)之間進(jìn)行通信。如今，大多數(shù)微控制器上的SPI（3線(xiàn)）和I2C（2線(xiàn)）端口是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的常用方法。因此，微控制器通過(guò)多條總線(xiàn)進(jìn)行通信，以控制外設(shè)，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、智能電池、端口擴(kuò)展器、EEPROM和溫度傳感器。與通過(guò)并行接口發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，串行數(shù)據(jù)以多個(gè)位連續(xù)傳輸，通常通過(guò)兩條、三條或四條數(shù)據(jù)/定時(shí)線(xiàn)。雖然并行接口提供速度，但串行接口具有更少的控制和數(shù)據(jù)線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

串行接口基礎(chǔ)知識(shí)

串行接口有三種類(lèi)型：3 線(xiàn)、2 線(xiàn)和單線(xiàn)。本文重點(diǎn)介紹 3 線(xiàn)和 2 線(xiàn)接口。串行外設(shè)接口 （SPI）、排隊(duì)串行外設(shè)接口 （QSPI?）和微絲?（或微絲加?） 標(biāo)準(zhǔn)通過(guò) 3 線(xiàn)接口進(jìn)行通信。IC 間 （I2C） 和系統(tǒng)管理總線(xiàn) （SMBus?） 標(biāo)準(zhǔn)通過(guò) 2 線(xiàn)接口進(jìn)行通信。兩種類(lèi)型的串行接口都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

3線(xiàn)接口

三線(xiàn)接口使用片選線(xiàn)（/CS或/SS）、時(shí)鐘線(xiàn)（SCLK）和數(shù)據(jù)輸入/主輸出線(xiàn)（稱(chēng)為DIN或MOSI）。這些接口還可以包括數(shù)據(jù)輸出/主輸入線(xiàn)（稱(chēng)為DOUT或MISO），有時(shí)稱(chēng)為4線(xiàn)接口。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文將 3 線(xiàn)和 4 線(xiàn)接口稱(chēng)為 3 線(xiàn)。

三線(xiàn)接口工作在更高的時(shí)鐘頻率下，不需要任何上拉電阻。SPI/QSPI和MICROWIRE接口還具有全雙工操作（數(shù)據(jù)可以同時(shí)發(fā)送和接收），并且在嘈雜的環(huán)境中不易出現(xiàn)問(wèn)題。三線(xiàn)接口是邊沿觸發(fā)的，而不是電平觸發(fā)的。

3線(xiàn)接口的主要缺點(diǎn)是，除非從器件配置為菊花鏈配置，否則總線(xiàn)上的每個(gè)從器件都需要一條單獨(dú)的/CS線(xiàn)，如圖1所示。（菊花鏈將在下面更詳細(xì)地討論。3線(xiàn)接口也不確認(rèn)數(shù)據(jù)已正確發(fā)送或接收。從軟件角度來(lái)看，3線(xiàn)接口比單主/單從應(yīng)用的2線(xiàn)接口更簡(jiǎn)單、更高效。

圖1.三線(xiàn)接口利用數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、時(shí)鐘和片選線(xiàn)。

2線(xiàn)接口

雙線(xiàn)接口僅使用數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA或SMBDATA）和時(shí)鐘線(xiàn)（SCL或SMBCLK）。這種使用較少的一條或兩條線(xiàn)路對(duì)于緊湊型設(shè)計(jì)（如手機(jī)和光纖應(yīng)用）來(lái)說(shuō)是一個(gè)特別有用的優(yōu)勢(shì)。雙線(xiàn)接口還允許您在同一總線(xiàn)上連接多個(gè)從站，而無(wú)需片選信號(hào)。這種設(shè)計(jì)是可能的，因?yàn)槊總€(gè)從站都有自己唯一的地址。雙線(xiàn)接口還會(huì)在成功完成讀取后傳輸應(yīng)答位。由于2線(xiàn)接口只有一條數(shù)據(jù)線(xiàn)，因此它們只能在半雙工模式下工作（數(shù)據(jù)只能在給定的周期內(nèi)發(fā)送或接收，但不能同時(shí)發(fā)送或接收）。雙線(xiàn)接口是電平觸發(fā)的，如果數(shù)據(jù)位被錯(cuò)誤識(shí)別，這可能會(huì)在嘈雜的環(huán)境中產(chǎn)生問(wèn)題。

主機(jī)和從機(jī)通過(guò)串行接口通過(guò)多條總線(xiàn)進(jìn)行通信。在一個(gè)寫(xiě)入周期中，主機(jī)使用自己的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇臋C(jī)。在一個(gè)讀取周期中，從機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡尽?/p>

SPI、QSPI、MICROWIRE 設(shè)計(jì)

由摩托羅拉建立的SPI接口可用于流行的處理器和微控制器，如MAXQ2000。如上所述，SPI設(shè)計(jì)需要兩條控制線(xiàn)（/CS和SCLK）和兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)（DIN/SDI和DOUT/SDO）。摩托羅拉 SPI/QSPI 標(biāo)準(zhǔn)將 DIN/SDI 數(shù)據(jù)線(xiàn)稱(chēng)為 MOSI（主輸出、從入）;DOUT/SDO數(shù)據(jù)線(xiàn)是MISO（主輸入、從輸出），/CS線(xiàn)是SS（從選擇）。為簡(jiǎn)單明了起起，本文從從機(jī)的角度參考了3線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)：DIN是從機(jī)的數(shù)據(jù)輸入，DOUT是從機(jī)的數(shù)據(jù)輸出。本文還將3線(xiàn)總線(xiàn)稱(chēng)為/CS、SCLK、DIN和DOUT，因?yàn)?a target="_blank">Maxim外設(shè)使用這些引腳名稱(chēng)。?

大多數(shù)SPI接口具有兩個(gè)配置位，即時(shí)鐘極性（CPOL）和時(shí)鐘相位（CPHA），用于確定從機(jī)何時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。CPOL 確定 SCLK 在未切換時(shí)是空閑高 （CPOL = 1） 還是低 （CPOL = 0）。CPHA 確定在哪些 SCLK 邊緣數(shù)據(jù)移入和移出。當(dāng)CPOL = 0時(shí)，將CPHA設(shè)置為0會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到SCLK上升沿的從站。將CPHA設(shè)置為1將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到SCLK下降沿上的從站。兩種CPOL和CPHA狀態(tài)允許四種不同的時(shí)鐘極性和相位組合;每個(gè)設(shè)置都與其他三個(gè)設(shè)置不兼容。主站和從站必須設(shè)置為相同的 CPOL 和 CPHA 狀態(tài)才能相互通信。

在其最基本的形式中，SPI接口一次傳輸2000位（一個(gè)字節(jié)）的數(shù)據(jù)，盡管有些微控制器一次傳輸兩個(gè)或更多字節(jié)。例如，MAXQ8微控制器一次可以傳輸16位或0位。當(dāng)CPOL = 0且CPHA = 8時(shí)，從高電平到低電平的/CS轉(zhuǎn)換開(kāi)始從主站到從機(jī)的傳輸。/CS必須保持低電平，而SCLK脈沖高電平和低電平，持續(xù)八個(gè)完整的周期。DIN數(shù)據(jù)鎖定在上升的SCLK邊緣。數(shù)據(jù)字節(jié)在/CS從低到高轉(zhuǎn)換后加載到從機(jī)中。在相同的2位周期內(nèi)，數(shù)據(jù)可從SCLK下降沿上的從機(jī)DOUT線(xiàn)獲得。圖3a顯示了CPHA=1時(shí)的2線(xiàn)SPI時(shí)序。圖3b顯示了CPHA=0時(shí)的<>線(xiàn)SPI時(shí)序。

圖 2a. 3 線(xiàn)接口時(shí)序 （CPHA = 1）。當(dāng)CPHA = 1且CPOL = 1時(shí)，3線(xiàn)接口將數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入時(shí)鐘上升沿的外設(shè)，數(shù)據(jù)從時(shí)鐘下降沿的外設(shè)輸出。

圖 2b. 3 線(xiàn)接口時(shí)序 （CPHA = 0）。當(dāng)CHPA = 0且CPOL = 1時(shí)，3線(xiàn)接口將數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入時(shí)鐘下降沿的外設(shè)，數(shù)據(jù)從時(shí)鐘上升沿的外設(shè)輸出。

/CS總線(xiàn)用作每個(gè)從站的使能信號(hào)，因?yàn)榭偩€(xiàn)上的每個(gè)IC都需要自己的片選線(xiàn)。如果四個(gè)從站在同一總線(xiàn)上，則需要四條片選線(xiàn)來(lái)選擇合適的從站。如果從機(jī)的/CS線(xiàn)路為高電平（非活動(dòng)），則從機(jī)將忽略SCLK轉(zhuǎn)換并將DOUT線(xiàn)路保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)。

一些3線(xiàn)接口外設(shè)可以使用菊花鏈方法進(jìn)行編程。菊花鏈不是將單獨(dú)的/CS線(xiàn)連接到每個(gè)外設(shè)，而是允許單個(gè)/CS和SCLK線(xiàn)控制串聯(lián)的多個(gè)外設(shè)。要以這種方式以菊花鏈方式連接外設(shè)，3線(xiàn)接口必須包括DOUT線(xiàn)。如圖 1 所示，外圍設(shè)備 #1 的 DOUT 線(xiàn)用作外圍設(shè)備 #2 等的 DIN 線(xiàn)。

SPI標(biāo)準(zhǔn)未指定最大數(shù)據(jù)速率。相反，外設(shè)指定自己的最大數(shù)據(jù)速率，大多數(shù)在MHz范圍內(nèi)。微控制器可以適應(yīng)各種SPI速度。然而，當(dāng)通過(guò)SPI總線(xiàn)通信時(shí)，從機(jī)無(wú)法減慢主站的速度或確認(rèn)正確的數(shù)據(jù)傳輸。

QSPI標(biāo)準(zhǔn)與SPI標(biāo)準(zhǔn)幾乎相同。事實(shí)上，外設(shè)無(wú)法區(qū)分QSPI總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)。然而，與SPI主站不同，QSPI主站允許通過(guò)可編程芯片選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，這些QSPI主站一次可以在8位到16位之間傳輸，而SPI器件通常僅傳輸8位。您可以將 QSPI 設(shè)備配置為連續(xù)傳輸多達(dá) 16 個(gè)數(shù)據(jù)字（最多 256 位）。此傳輸完全由 QSPI 接口處理，無(wú)需微控制器干預(yù)。與SPI一樣，QSPI標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定最大數(shù)據(jù)速率。

由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司制定的較舊的MICROWIRE標(biāo)準(zhǔn)與SPI非常相似。但是，MICROWIRE具有固定的時(shí)鐘極性和固定的時(shí)鐘相位（CPOL = 0和CPHA = 0）。DIN的數(shù)據(jù)始終鎖定在SCLK上升沿的從站中。數(shù)據(jù)從從機(jī)的DOUT引腳轉(zhuǎn)移到SCLK的下降沿。與SPI一樣，MICROWIRE標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定最大數(shù)據(jù)速率。

內(nèi)部集成電路（I2C） 接口

與全雙工、3線(xiàn)串行接口不同，I2飛利浦建立的 C 標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)一條數(shù)據(jù)線(xiàn) （SDA） 和一條控制線(xiàn) （SCL） 以半雙工模式進(jìn)行通信。我2C 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的主/從雙向接口。在此方案中，微控制器指定它是作為主站（寫(xiě)入模式）還是作為從站（接收模式）運(yùn)行。每個(gè)從站都有自己唯一的地址，允許主站在同一總線(xiàn)上與許多不同的從站通信，而無(wú)需芯片選擇信號(hào)。參見(jiàn)圖 3。從機(jī)數(shù)量?jī)H受允許的最大總線(xiàn)線(xiàn)路電容（400pF）的限制。我2C 協(xié)議基于 7 位或 10 位地址，但 7 位地址更常見(jiàn)。使用 7 位協(xié)議，您可以將多達(dá) 127 個(gè)不同的外設(shè)連接到總線(xiàn)。 SCL 和 SDA 是漏極開(kāi)路線(xiàn)路，必須處于高電平狀態(tài)才能正常運(yùn)行。使用 1V 電源時(shí)，將 3kΩ 或更大的上拉電阻連接到這些線(xiàn)路，使用 1V 電源時(shí)，將 6.5kΩ 或更大的上拉電阻連接到這些線(xiàn)路。

圖3.雙線(xiàn)接口提供數(shù)據(jù)輸入/輸出和時(shí)鐘線(xiàn)。

I2C通信以啟動(dòng)命令開(kāi)頭，當(dāng) SDA 在 SCL 高電平時(shí)從高到低轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)發(fā)生該命令。參見(jiàn)圖 4a。在每個(gè) SCL 時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位;至少需要九位才能將字節(jié)傳入或傳出從機(jī)。寫(xiě)入周期包括八個(gè)數(shù)據(jù)位，后跟一個(gè)確認(rèn) （ACK） 或非確認(rèn) （NACK） 信號(hào)。參見(jiàn)圖 4b。當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線(xiàn)傳輸時(shí)，它鎖在 SCL 上升沿的從機(jī)中，并從 SCL 下降沿的從機(jī)讀出。SDA上的數(shù)據(jù)必須在SCL時(shí)鐘脈沖的高周期內(nèi)保持穩(wěn)定。在停止或重復(fù)啟動(dòng)命令之后，傳輸完成，此時(shí)SDA在SCL高電平下從低到高轉(zhuǎn)換。當(dāng)總線(xiàn)不繁忙時(shí)，SDA 和 SCL 都保持高電平。

圖 4a.啟動(dòng)和停止條件。2線(xiàn)接口使用啟動(dòng)、重復(fù)啟動(dòng)和停止命令在主站和從機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。

圖 4b.我2C 確認(rèn)位。2線(xiàn)接口在確認(rèn)數(shù)據(jù)時(shí)將SDA線(xiàn)拉低。

一個(gè)I2C寫(xiě)入周期從啟動(dòng)命令開(kāi)始，然后寫(xiě)入 7 位從地址和發(fā)出寫(xiě)入或讀取命令信號(hào)的第 <> 位。將寫(xiě)入命令的第八位設(shè)置為低電平，為讀取命令設(shè)置高位。主站在第八個(gè)時(shí)鐘周期后釋放總線(xiàn)線(xiàn)路。如果從機(jī)確認(rèn)傳輸正確，則從機(jī)在第九個(gè)時(shí)鐘周期將SDA線(xiàn)保持低電平。如果從機(jī)不確認(rèn)正確的寫(xiě)入命令，則從機(jī)釋放SDA線(xiàn)（然后由上拉電阻保持高電平）。

然后，主站寫(xiě)入一個(gè) 8 位命令字節(jié)，后跟第二個(gè) ACK/NACK 位。接下來(lái)，主站寫(xiě)入一個(gè)8位數(shù)據(jù)字節(jié)，后跟第三個(gè)ACK/NACK位。數(shù)據(jù)字節(jié)的最終應(yīng)答位完成讀/寫(xiě)周期，外設(shè)的輸出更新。圖 5a 說(shuō)明了寫(xiě)入周期的示例。

一個(gè)I2C讀取周期從啟動(dòng)命令開(kāi)始，然后寫(xiě)入從地址，第八位拉高以發(fā)出讀取命令信號(hào)。在ACK/NACK位之后，主設(shè)備寫(xiě)入命令字節(jié)以訪(fǎng)問(wèn)新的從寄存器。在第二個(gè)ACK/NACK位之后，主站重寫(xiě)從地址。然后在第三個(gè)ACK/NACK位之后，從機(jī)控制總線(xiàn)并一次寫(xiě)出5個(gè)數(shù)據(jù)位。參見(jiàn)圖 <>b。當(dāng)從與先前讀取相同的從站寄存器讀取時(shí)，主站只需寫(xiě)入從站的地址，然后才能從該從站讀取數(shù)據(jù)。

圖5.2線(xiàn)接口一次傳輸5位數(shù)據(jù)。圖 <>a 是 I2C 寫(xiě)入周期示例。圖 5b 顯示 I2C 讀取周期示例。

I2C 接口支持慢速（高達(dá) 100kHz）、快速（高達(dá) 400kHz）和高速（高達(dá) 3.4MHz）協(xié)議。I2C 根據(jù) CMOS 電壓電平識(shí)別高低信號(hào)：低信號(hào)小于電源電壓的 0.3 倍;高信號(hào)大于 0.7 x 電源電壓。

系統(tǒng)管理總線(xiàn) （SMBus）

英特爾建立了低速通信的SMBus標(biāo)準(zhǔn)，SMBus接口類(lèi)似于I?2C. 喜歡我2C，SMBus使用2線(xiàn)接口，包括數(shù)據(jù)線(xiàn)（SMBDATA）和時(shí)鐘線(xiàn)（SMBCLK）。SMBCLK 和 SMBDATA 線(xiàn)路也需要上拉電阻。使用8.5kΩ或更大的上拉電阻（采用3V電源）和14kΩ或更大的上拉電阻（采用5V電源）。SMBus 工作在 3V 至 5V 電源電壓，可識(shí)別高于 2.1V 的高信號(hào)和低于 0.8V 的低信號(hào)。

超時(shí)和最大/最小時(shí)鐘速度是 I 之間最顯著的差異2C 和 SMBus 接口。我2C 總線(xiàn)工作在低至 DC 時(shí)，不會(huì)因總線(xiàn)不活動(dòng)而超時(shí)。但是，SMBus 接口可能會(huì)超時(shí)。當(dāng)從設(shè)備在時(shí)鐘信號(hào)變低超過(guò)超時(shí)周期（最大 35ms）后重置其接口時(shí)，就會(huì)發(fā)生超時(shí)。SMBus 超時(shí)周期規(guī)定時(shí)鐘的最低速度為 19kHz。SMBCLK 必須設(shè)置在 10kHz 和 100kHz 之間才能正確通信。連接到 I 的主站或從站2但是，C總線(xiàn)可以在處理數(shù)據(jù)所需的時(shí)間內(nèi)保持低時(shí)鐘。

外設(shè)示例

微控制器通常通過(guò)串行接口與其外設(shè)進(jìn)行通信。微控制器使用3線(xiàn)或2線(xiàn)接口讀取和寫(xiě)入外圍設(shè)備的內(nèi)部寄存器。然后，外設(shè)偏置并控制各種模擬和數(shù)字輸出。例如，外圍設(shè)備將：對(duì)電池的充電電流和電壓進(jìn)行編程;使用溫度傳感器控制風(fēng)扇;并設(shè)置DAC的模擬輸出電壓以及各種電路的偏置條件。

圖6所示為微控制器通過(guò)8線(xiàn)接口與5115位DAC（MAX2）通信。由于該DAC包括四個(gè)地址選擇引腳，可產(chǎn)生16個(gè)唯一的從地址，因此您最多可以并行連接16個(gè)DAC。相同的兩條總線(xiàn)也可以設(shè)置SMBus溫度傳感器/風(fēng)扇控制器（MAX6641）的偏置條件，因?yàn)镸AX6641具有不同的從地址。該風(fēng)扇控制器調(diào)節(jié) MOSFET 的柵極電壓，以打開(kāi)和關(guān)閉風(fēng)扇。

圖6.因?yàn)檫@個(gè)微控制器使用I2C接口，只需要兩條總線(xiàn)線(xiàn)就可以與眾多外設(shè)通信，比如這個(gè)DAC和一個(gè)溫度傳感器，并聯(lián)連接。

3線(xiàn)接口需要單獨(dú)的芯片選擇線(xiàn)來(lái)連接微控制器和并聯(lián)連接的多個(gè)IC之間的通信，而更簡(jiǎn)單的2線(xiàn)接口使用相同的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線(xiàn)與總線(xiàn)上的每個(gè)器件進(jìn)行通信。您可以通過(guò)為每個(gè)外設(shè)設(shè)置不同的從地址來(lái)并聯(lián)放置多個(gè)IC。最I(lǐng)2C外設(shè)包括地址選擇引腳，允許您將每個(gè)外設(shè)設(shè)置為不同的從地址。以前，外設(shè)可以標(biāo)識(shí)自身的從地址數(shù)量限制為2的冪。例如，如果外設(shè)有兩個(gè)地址選擇引腳，它可以在總線(xiàn)上用四個(gè)唯一的從地址來(lái)標(biāo)識(shí)自己。

新設(shè)計(jì)通過(guò)更少的地址選擇引腳提供更多的從地址。例如，MAX7319輸入/輸出端口擴(kuò)展器只需兩個(gè)地址選擇引腳（AD16和AD2）即可編程為0個(gè)唯一的從地址。這些引腳可以連接到GND，電源電壓（V抄送）、SDA 或 SCL。表 2 顯示了可用的 16 個(gè)從地址。雖然位 A6、A5 和 A4 必須設(shè)置為 110，但位 A3 到 A0 可以通過(guò) AD2 和 AD0 的四種不同設(shè)置進(jìn)行編程。

未來(lái)進(jìn)展

當(dāng)今的3線(xiàn)接口滿(mǎn)足與2線(xiàn)接口不同的需求，每種接口都有特定的優(yōu)勢(shì)。將來(lái)任何一個(gè)接口都不太可能完全取代另一個(gè)接口。I2C 設(shè)備的發(fā)展速度更快，因?yàn)樗鼈冮_(kāi)始集成 SMBus 功能，例如超時(shí)重置，可以在必要時(shí)關(guān)閉這些功能。新我2C 從地址的長(zhǎng)度為 10 位，而不是只有 7 位，從而為用戶(hù)提供了更大的靈活性。

3線(xiàn)和2線(xiàn)接口將共存，但我2隨著更多的微控制器支持2線(xiàn)接口，C語(yǔ)言可能會(huì)獲得市場(chǎng)份額。我2C的易用性和較少的公交線(xiàn)路可能會(huì)推動(dòng)其增長(zhǎng)超過(guò)SPI的增長(zhǎng)。

審核編輯：郭婷