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I2C和SPI总线以及通信

网友: 文章列表 2024-03-21 16:35:33

I2C和SPI总线以及通信

通讯属性 概括

  • Serial/parallel 串行/并行
  • Synchronous/asynchronous 同步/异步
  • Point-to-point / bus 点对点 总线
  • Half-duplex/full-duplex 半双工/全双工
  • Master-slave/ equal partners 主从/对等
  • single-ending / differential 单端/差分

点对点和总线

  • 点对点通讯
    只有两个通讯点 only two comunication partners
    没有地址请求 no addressing required
  • 总线通讯
    若干个通信点 several communication partners
    地址请求 addressing required

同步（Synchronous）和异步（Asynchronous)

  • 同步
    时钟接收者和时钟发送者共享一个时钟。 Clock of receiver is linker to clock of sender
    快速通信。Fast communication
  • 异步
    约定好通信速率 进行通讯。independent clocks for sender and receiver
    Receiver knows the transmission speed in advance
    Requires packet frame with start/stop bit
    Normally an over-samping scheme is required
    Communication is slower

Half duplex 半双工和Full duplex 全双工

  • 半双工
    只有一个通信通道。需要进行发送和接收的时候占用通道。不用的时候，应当释放信道。你发我听， 我发你听。
  • 全双工
    双方都可以通信。

对等(Equal partners)和 主从（Master-slave）方式

  • 对等
    any node may transmit if medium(媒介) is free。
    Arbitration(仲裁) is required 需要仲裁
  • 主从
    主从设备之间没有对等的权利
    只有主设备可以开始通信。Only master can start a communication.
    Slave get permission to communicate form master.
    e.g. USB鼠标和PC的主从通信。PC作为通信的host，USB作为通信的device。鼠标和PC的通讯时，PC按照一定的频率去读取鼠标的中断方式的通讯信息。

通信信号区分

  • Single-ended 单端信号
    以单线的电平高低判断信号
  • differential 差分信号
    用两根双绞线传递这两个差模（差分）的信号。承载差模信号的数字信号0或者1的判断，是以两根线的信号的差值来判断。

iic简介

IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是两线式串行总线，用于连接MCU和外设。由数据线SDA和时钟线SCL构成串行总线，可发送和接受数据。高速IIC总线速率可达400Kbps以上。
I2C总线在传送数据过程中分三种类型信号

信号 SCL SDA
开始信号 高 由高变低 开始传送数据
结束信号 高 由低变高 结束传送数据，可不要
应答信号 接收ic向发送ic发出特定的低电平，表示己收到数据

IIC总线时序图
I2C和SPI总线以及通信

spi简介

SPI（Seial Peripheral interface)串行外围设备接口。SPI(Serial Peripheral Interface) 同步串行通讯方式，适用于短距离通讯。
可用接各种外设和芯片。e.g. ADC/RTC/LCD/ROM/DAC/Sensor。
SPI是一种高速的，全双工、同步的通信总线。
spi是4线同步串行通讯接口。实现SPI的主从设备还要第5根线GND。

SPI的特点

  • 串行接口 Serial Interface
  • 同步 Synchronous
  • 主从配置 Master-slave configuration
  • 数据交换-DMA/PIO Date Exchange
  • 全双工 Full duplex operation（一主）
  • 灵活的时钟极性/相位格式 Flexible clock polarity/phase format
  • 4到16位的可变字节帧
  • 总线竞争保护

spi内部简明图

I2C和SPI总线以及通信
从上图看，SPI有4个线通信

引脚 描述
MOSI(Master Out Slave In) 主出从入，主设备发送到从设备的信号
MISO(Master IN slave OUT) 主入从出。从设备发送到主设备的信号
SCK serial clock,由主设备控制产生的SPI工作时钟，每个SCK周期完成一个bit的传输。SCK信号必须干净，有毛刺会带来严重的干扰
SS/CS Slave/Chip Select，从设备选择端，当从设备收到该段为低电平时，设备有效；对于主设备，该端平时为高电平，可以用于在有效传输周期内给出低电平选通。

spi工作方式

spi模块要与外设进行数据交互，需要配置串行同步时钟极性和相位在相同的工作模式。
CPOL时钟极性

CPOL 描述
0 串行同步时钟的空闲状态为低电平
1 串行同步时钟的空闲状态为高电平

CPHA时钟相位可选择2种传输协议

CPHA 描述
0 在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样
1 在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样

工作流程

SS片选信号拉低（或拉高）–> 主从机双方准备传递信息，MISO MOSI引脚开始把数据准备好 --> 当时钟的第一个边沿出现时（上升沿或下降沿），开始观察各自的输入引脚进行bit采样 --> 当时钟出现第二边沿时，主从机驱动自己的输出引脚准备发送第二个bit。

传输时序

I2C和SPI总线以及通信

主模式

  • 控制整个传输过程
    • 通过SS信号选择对应的通信从节点
    • 决定SCK波特率，相位，极性
    • 产生SCK时钟信号
    • 驱动MOSI信号
    • 采用MISO信号
  • CPU通过向SPIx_D写入数据来启动一次传输过程

从模式 Slave mode

  • 响应主节点的信号
    • 当SS信号被选通时才激活
    • 根据预先约定的相位/极性来检测SCK
    • 按照主机的通信速度驱动MISO信号
    • 采样MOSI信号

注意点 Point to notice

  • 通常，SPI是点对点结构的
  • 必须预先约定SCK时钟的相位/极性和数据帧位数
  • 从节点的CPU需要在数据帧开始前 将待发数据准备好并写入SPIx_D
  • SCK信号必须干净不能有毛刺 SCK保证主从机都能接收的范围
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