SPI和IIC技术的应用和比较

嵌入式系统课程设计报告课题名称：SPI和IIC技术的应用和比较专业班级：05物电4学生姓名：徐伟指导教师：徐健设计时间：2008.12.9~2007.12.23SPI和IIC技术的应用和比较一、spi技术应用我们通常所说的SPI（SCSIParallelInterface）是指并行SCSI，它是SCSI-3协议族中的一员。目前已投入应用的最高版本是SPI的第四代（SPI-4），即商业领域统称的Ultra320SCSI。目前，SPI的第五代也在不断完善之中。SPI标准是从最初的SPI-1不断发展起来的。最初的SPI-1只定义了20MHz的总线信号，可提供40MB/s的速率，它在1996年就被SPI-2替代了。SPI-2除了将信号频率由20MHz提升到40MHz外，还定义了一些新的特性，包括低电压差分信号传输、多模式操作和高密度连接器等。1998年推出的SPI-3又在SPI-2的基础上，将信号频率由40MHz提升到80MHz，并定义了循环冗余校验（CRC）、域确认机制、快速仲裁选择（QAS）和包封装SCSI机制。2001年问世的SPI-4进一步将SPI-3的信号频率由80MHz提升到160MHz，同时增加了读写数据流和流控制机制。20多年来，SCSI应用的广度和深度都在不断拓展，被誉为总线界的长青树。目前，无论是SPI-4还是SPI-5，在充分继承SCSI传统优势和不断提高信号频率的同时，广泛采用了CRC、包封装SCSI、QAS和流控制等一系列新技术，使并行SCSI的整体性能得到大幅度提高，且更加安全可靠，为并行SCSI更好的应用奠定了坚实的基础。SPI是一种四线制串行总线接口，为主/从结构，四条导线分别为串行时钟(SCLK)、主出从入(MOSI)、主入从出(MISO)和从选(SS)信号。主器件为时钟提供者，可发起读从器件或写从器件操作。这时主器件将与一个从器件进行对话。当总线上存在多个从器件时，要发起一次传输，主器件将把该从器件选择线拉低，然后分别通过MOSI和MISO线启动数据发送或接收。SPI时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，且没有系统开销。SPI在系统管理方面的缺点是缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙。因此，必须设计聪明的软件机制来处理确认问题。同时，SPI也没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主器件架构。每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为n+3个，其中n是总线上从器件的数量。因此，导线的数量将随增加的从器件的数量按比例增长。同样，在SPI总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线或解码逻辑。图2显示了典型的SPI读/写周期。在地址或命令字节后面跟有一个读/写位。数据通过MOSI信号写入从器件，通过MISO信号自从器件中读出。实例程序：二、IIC技术应用1什么是IIC？IIC是作为英特尔IC的互补，这种总线类型是由菲利浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要是用来连接整体电路(ICS)，IIC是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实施数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线。例如：内存中的SPD信息,通过IIC，与BX芯片组联系，IIC存在于英特尔PIIX4结构体系中。随着大规模集成电路技术的发展，把CPU和一个单独工作系统所必需的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外围电路集成在一个单片内而制成的单片机或微控制器愈来愈方便。目前，世界上许多公司生产单片机，品种很多。其中包括各种字长的CPU，各种容量的ROM、RAM以及功能各异的I/O接口电路等等，但是，单片机的品种规格仍然有限，所以只能选用某种单片机来进行扩展。扩展的方法有两种：一种是并行总线，另一种是串行总线。由于串行总线的连线少，结构简单，往往不用专门的母板和插座而直接用导线连接各个设备。因此，采用串行线可大大简化系统的硬件设计。PHILIPS公司早在十几年前就推出了I2C串行总线，利用该总线可实现多主机系统所需的裁决和高低速设备同步等功能。因此，这是一种高性能的串行总线。I2C(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。2I2C总线特点I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。3I2C总线工作原理3.1总线的构成及信号类型I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。4总线基本操作I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。参见图1。图1串行总线上的数据传送顺序4.1控制字节在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。如图2所示。图2控制字节配置4.2写操作写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3。图3页面写4.3读操作读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。图4顺序读5实例：X24C04与MCS-51单片机软硬件的实现X24C04是XICOR公司的CMOS4096位串行EEPROM，内部组织成512×8位。16字节页面写。与MCS-51单片机接口如图5所示。由于SDA是漏极开路输出，且可以与任何数目的漏极开路或集电极开路输出“线或”（wire-Ored）连接。上拉电阻的选择可参考X24C04的数据手册。下面是通过I2C接口对X24C04进行单字节写操作的例程。流程图及源程序如下：图5X24C04与51单片机接口；名称：BSENT；描述：写字节；功能：写一个字节；调用程序：无；输入参数：A；输出参数：无BSEND:MOVR2,#08H；1字节8位SENDA:CLRP3.2；RLCA；左移一位MOVP3.3,C；写一位SETBP3.2DJNZR2,SENDA；写完8个字节？CLRP3.2；应答信号SETBP3.3SETBP3.2RET图6流程图6结束语在I2C总线的应用中应注意的事项总结为以下几点:1）严格按照时序图的要求进行操作，2）若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻。3）程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时。4）为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断EEPROM是否被意外改写。对于需要经常进行数据流传输的系统数据，SPI是首选，因为它拥有较快的时钟速率，速率可从几兆赫兹到几十兆赫兹。然而，对于系统管理活动，如读取温度传感器的读数和查询多个从器件的状态，或者需要多个主器件共存于同一系统总线上(系统冗余常会要求这一点)，或者面向低功耗应用，这时I2C或SMBus将是首选接口。下面几部分将介绍每种串行总线及其优缺点。1.SPISPI是一种四线制串行总线接口，为主/从结构，四条导线分别为串行时钟(SCLK)、主出从入(MOSI)、主入从出(MISO)和从选(SS)信号。主器件为时钟提供者，可发起读从器件或写从器件操作。这时主器件将与一个从器件进行对话。当总线上存在多个从器件时，要发起一次传输，主器件将把该从器件选择线拉低，然后分别通过MOSI和MISO线启动数据发送三、IIC与SPI比较1.SPISPI时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，且没有系统开销。SPI在系统管理方面的缺点是缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙。因此，必须设计聪明的软件机制来处理确认问题。同时，SPI也没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主器件架构。每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为n+3个，其中n是总线上从器件的数量。因此，导线的数量将随增加的从器件的数量按比例增长。同样，在SPI总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线或解码逻辑。图2显示了典型的SPI读/写周期。在地址或命令字节后面跟有一个读/写位。数据通过MOSI信号写入从器件，通过MISO信号自从器件中读出。2.I2C总线I2C是一种二线制串行总线接口，工作在主/从模式。二线通信信号分别为开漏SCL和SDA串行时钟和串行数据。主器件为时钟源。数据传输是双向的，其方向取决于读/写位的状态。每个从器件拥有一个唯一的7或10位地址。主器件通过一个起始位发起一次传输，通过一个停止位终止一次传输。起始位之后为唯一的从器件地址，再后为读/写位。I2C总线速度为从0Hz到3.4MHz。它没有SPI那样快，但对于系统管理器件如温度传感器来说则非常理想。I2C存在系统开销，这些开销包括起始位/停止位、确认位和从地址位，但它因此拥有流控机制。主器件在完成接收来自从器件的数据时总是