I2C、SPI协议

1. I2C协议

           I²C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。

1.1  基本概念

} I²C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

} I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

} 每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。

} 在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱， I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。

} 起始和终止信号：SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。

} 数据位的有效性规定：I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

1.2 字节传送与应答

} 字节传送与应答：每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

} 由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。

} 如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

} 当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

} 在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

a、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变（有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。 A表示应答，表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号）：

b、主机在第一个字节后，立即由从机发数据：

c、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。

1.3 总线的寻址

} 寻址字节的位定义：I²C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。

} 主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/位将自己确定为发送器或接收器。

} 从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。

} 寻址字节中的特殊地址：前四位的0000和1111已被保留作为特殊用途。

} 通用呼叫地址：起始信号后的第一字节的8位为“0000 0000”时，称为通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字节中加以说明。格式为：

a.      第二字节为06H时，所有能响应通用呼叫地址的从机器件复位，并由硬件装入从机地址的可编程部分。能响应命令的从机器件复位时不拉低SDA和SCL线，以免堵塞总线。

b.      第二字节为04H时，所有能响应通用呼叫地址并通过硬件来定义其可编程地址的从机器件将锁定地址中的可编程位，但不进行复位。

c.      第二字节的方向位B为“1”时，这两个字节命令称为硬件通用呼叫命令。在这第二字节的高7位说明自己的地址。接在总线上的智能器件，如单片机或其他微处理器能识别这个地址，并与之传送数据。

硬件主器件作为从机使用时，也用这个地址作为从机地址。在系统中另一种选择可能是系统复位时硬件主机器件工作在从机接收器方式，这时由系统中的主机先告诉硬件主机器件数据应送往的从机器件地址，当硬件主机器件要发送数据时就可以直接向指定从机器件发送数据了。

} 起始字节：起始字节是提供给没有I2C总线接口的单片机查询I2C总线时使用的特殊字节。

} EEPROM：AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010，A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码。形成的7位编码即为该器件的地址码。读写过程如下：

2. SPI协议

}SPI串行外围设备接口是Motorola首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式架构，支持多从设备应用，一般只支持单主设备。，串行，同步，全双工。SPI以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线。目前应用中的数据速率可达几Mbps.

MOSI      主设备数据输出，从设备数据输入；

MISO      主设备数据输入，从设备数据输出；

SCK          用来为数据通信提供同步时钟信号，由主设备产生；

CS            从设备使能信号，由主设备控制。

} 根据时钟极性(CPOL)及相位(CPHA)不同可以组合成4种工作模式：SPI0，SPI1，SPI2，SPI3.

（1）SPI0：CPOL=0,CPHA=0

（2）SPI1：CPOL=0,CPHA=1

（3）SPI2：CPOL=1,CPHA=0

（4）SPI3：CPOL=1,CPHA=1

} SPI从机从主机获得时钟和片选信号，因此cs和sclk都是输入信号。SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器（环形总线结构），传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如果一个SPI从机没有被选中，他的数据输出端MOSI将处于高阻状态，从而与当前处于激活状态的隔离开。

} SPI总线在一次数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机能够通信。并且，主机总是向从机发送一个字节数据，而从机也总是向主机发送一个字节数据。如果只是进行写操作，主机只需忽略收到的字节；反过来，如果主机要读取外设的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

} 一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

} 优点：

（1）接口简单，利于硬件设计与实现。

（2）时钟速度快，且没有系统开销。

（3）相对抗干扰能力强，传输稳定。

} 缺点：

（1）缺乏流控制机制，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，需要软件弥补，增加了软件开发工作量。

（2）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。

注：个人学习，不妥望指正，持续改善中。