【導讀】本應用筆記對兩種模擬IC中常用的串行、數字接口(SPI™或3線、I²C或2線)進行了比較，每種接口在不同的設計中都表現出其優點和缺點，具體取決于數據速率、可提供的設計空間以及噪聲環境等。本應用筆記給出了兩種接口的區別，并舉例詳細說明了這些觀點。
引言
雖然現實世界中的信號都是模擬信號，但是現在越來越多的模擬IC采用數字接口進行通信。串行接口的數據通信介于主機(提供串行時鐘)和從機/外設之間。目前，大多數微控制器提供SPI (3線)和I²C (2線)接口，用于發送、接收數據。微處理器通過幾條總線控制周邊的設備，比如：模/數轉換器(ADC)、數/模轉換器(DAC)、智能電池、端口擴展、EEPROM以及溫度傳感器。與通過并口傳輸數據不同的是：串行接口通過2條、3條或4條數據/時鐘總線連續傳輸數據。雖然并行接口具有傳輸速度快的特點，但是串行接口占用較少的控制和數據線。
串行接口的基礎知識
串行接口有三種：3線、2線和單線。本文主要討論3線和2線串行接口。串行外設接口(SPI)、隊列串行外設接口(QSPI™)和MICROWIRE™ (或MICROWIRE PLUS™)接口標準均采用3線接口。芯片間總線(I²C)和系統管理總線(SMBus™)均為2線接口。這些串行接口擁有各自的優點和缺點，如表1所示。
3線接口
3線接口使用片選線(低電平有效CS或SS)、時鐘線(SCLK)和數據輸入/主機輸出線(DIN或MOSI)。3線接口有時也包括一條數據輸出/主機輸入線(DOUT或MISO)，這時也叫做4線接口。為了敘述的簡便，本文將3線接口和4線接口統稱為3線接口。
3線接口可以以更高的時鐘頻率工作，并且不需要上拉電阻。SPI/QSPI和MICROWIRE接口都可以工作在全雙工模式(數據可以在同一時間發送和接收)，一般在嘈雜環境下工作不成問題。3線接口是邊沿觸發，不是電平觸發，因此具有更強的抗干擾能力。
3線接口的主要缺點是它要為每一個從機提供一條低電平有效的CS線，除非將從機用菊鏈形式連接，如圖1所示(后續章節將詳細討論菊鏈方式)。另外一個缺點是3線接口沒有應答機制去判斷數據的收發是否正確。從軟件設計看，在單主機/單從機應用中，3線接口比2線接口簡單，效率更高。
圖1. 利用數據輸入、數據輸出、時鐘和片選信號進行通信的3線接口。
2線接口
2線接口包括一條數據線(SDA或SMBDATA)和一條時鐘線(SCL或SMBCLK)。2線接口的優點是使用更少的連線，這一點對于結構緊湊的設計尤為重要，比如：手機、光纖的應用。因為2線接口為每個從機分配唯一的地址，所以可以在一條總線連接多個從機而不需要片選信號。2線接口在成功完成一次讀操作后會傳輸一個應答位。因為2線接口只有一條數據線，所以它只能工作在半雙工模式(數據的讀寫不可以同時進行)。因為2線接口是電平觸發，所以在嘈雜環境中如果發生數據位錯誤，可能造成問題。
表1. 3/2線接口優缺點的對比
主機和從機經由多條總線通過串行接口進行通訊。在寫周期，主機使用自己產生的時鐘和數據將數據傳至從機。在讀周期，從機傳輸數據至主機。
SPI、QSPI和MICROWIRE設計
由Motorola®制定的SPI接口已被很多流行的處理器和微控制器采用，比如MAXQ2000。SPI接口需要兩條控制線(低電平有效CS和SCLK)和兩條數據線(DIN/SDI和DOUT/SDO)。Motorola的SPI/QSPI標準稱DIN/SDI數據線為MOSI (主機出，從機入)，DOUT/SDO數據線為MISO (主機入，從機出)，CS線為SS (從機選擇)。為了敘述的清晰，我們基于從機說明3線接口的數據線。DIN是從機的數據輸入線，DOUT是從機的數據讀出線。本文采用低電平有效CS、SCLK、DIN和DOUT來定義3線接口中的各條線，Maxim外設使用了這些引腳名稱。
大多數的SPI接口有兩位配置位，時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)用于設定從機何時采集數據。CPOL決定SCLK為高時總線空閑(CPOL = 1)還是SCLK為低時總線空閑(CPOL = 0)。CPHA決定在SCLK的哪一個邊沿將數據移入、移出。當CPOL = 0時，將CPHA設為0，表示在SCLK的上升沿將數據移入從機；將CPHA設為1，表示在SCLK的下降沿將數據移入從機。CPOL和CPHA的兩個狀態允許四種時鐘極性和相位的不同組合。每一種都與其它三種不兼容。為了實現主、從機間的通訊，主、從機的CPOL和CPHA必須有相同的設置。
在SPI接口的大多數應用中，SPI接口一次傳送8位數據(一個字節)，有一些微處理器一次傳送兩個或多個字節。例如，MAXQ2000微處理器可一次傳送8位或16位數據。當CPOL = 0、CPHA = 0，低電平有效CS由高跳變為低，開始一個主機到從機的傳輸過程。在SCLK信號高低變化的八個周期內，低電平有效CS信號必須保持為低。DIN數據鎖定在SCLK信號的上升沿。在同樣的8位周期內，DOUT線上的從機輸出數據在SCLK的每個下降沿有效。圖2a給出了CPHA = 1時的詳細時序；圖2b給出了CPHA = 0時的詳細時序。
圖2a. 3線接口時序(CPHA = 1)，CPHA = 1、CPOL = 1時，3線接口在時鐘的上升沿將數據移入外設，在時鐘的下降沿將數據移出外設。
圖2b. 3線接口時序(CPHA = 0)，CHPA = 0、CPOL = 1時，3線接口在時鐘的下降沿將數據移入外設，在時鐘的上升沿將數據移出外設。
因為總線上的每一個IC需要專屬的片選線，所以低電平有效CS被用做每個從機的使能信號。如果一條總線上有四個從機，則需要四條片選線。如果從機的低電平有效CS為高電平(禁止)，該從機就忽略SCLK線上的數據，將DOUT置為高阻。
部分3線接口設備可以鏈接成菊鏈的方式，而不需要為每個從機提供低電平有效的CS線，菊鏈方式能夠用一條低電平有效的CS線和一條數據線控制多個串聯從機。在菊鏈結構中3線接口必須包含DOUT線，如圖1所示，從機#1的DOUT連接到從機#2的DIN，如此反復。
SPI標準中沒有定義最大數據速率。外部設備定義了自己的最大數據速率，通常為MHz量級。微處理器可以適應很寬范圍的SPI數據速率。在利用SPI接口進行通訊時，從機無法降低主機的數據速率或確定一個適當的速率。
QSPI標準和SPI標準非常相似。事實上，外設無法區分QSPI總線和SPI總線。與SPI標準中的主機不同，QSPI中的主機允許數據通過可編程的片選線傳輸數據。QSPI的主機甚至可以傳送長度在8位和16位之間的數據，而SPI的主機只可以傳送8位的數據。可以配置QSPI的設備去連續傳送長度超過16字節的數據(最大為256位)。這種傳輸完全由QSPI設備的配置來實現，不需要MCU的操作。與SPI接口相似，QSPI接口也沒有規定最大數據速率。
由National Semiconductor公司制定的老的MICROWIRE標準和SPI標準非常相似。不同的是MICROWIRE標準的時鐘極性和時鐘相位是固定的(CPOL = 0和CPHA = 0)。DIN的數據讀取總是鎖定在SCLK的上升沿。DOUT的數據輸出總是在SCLK的下降沿。MICROWIRE標準沒有規定最大數據速率。
芯片間電路接口(I²C)
不同于全雙工的3線制接口，由Philips制定的I²C接口通過一條數據線(SDA)和一條時鐘線(SCL)實現半雙工通信。I²C接口定義了一個簡單的主/從雙向通信接口。在這個體系中，MCU決定自己為主機(寫模式)或為從機(接收模式)。每個從機具備專有、唯一的地址，使主機可以和多個從機通過一條總線進行通信，而不需要為每一個從機提供單獨的片選線。如圖3所示，從機的數目只受限于最大線上電容(400pF)，I²C接口的機制基于7位或10位地址，7位的地址更為常見。在7位地址的機制中，總線上可以接127個不同的外設。SCL和SDA線為漏極開路結構，所以閑置時必須為高。當電源電壓為3V時，連接一個1kΩ或更大阻值的上拉電阻；當電源電壓為5V時，連接一個1.6kΩ或更大阻值的上拉電阻。
圖3. 利用數據輸入/輸出和時鐘信號進行通信的2線接口。
當SCL為高，SDA從高變為低，即發出了一個開始命令，啟動I²C通信。圖4a所示，每個SCL時鐘傳輸一個數據位，傳輸一個字節至少需要9個數據位。一個寫周期包括8個數據位和一個應答位(ACK)或者非應答位(NACK)。如圖4b所示，當數據在I²C總線上傳輸時，在SLK的上升沿寫入從機，在SLK的下降沿從機輸出。在SCL時鐘周期為高電平的時間內，SDA線的數據不可以改變。一次傳輸的完成必須跟隨著一個中止或重新開始的命令，既SCL為高時，SDA由低變為高。當總線空閑時，SDA和SCL都為高。
圖4a. 開始條件和停止條件，2線接口采用開始、重復開始和停止命令在主機和從機之間傳輸數據。
圖4b. I²C應答位，應答數據時，2線接口將SDA拉低。
I²C的寫周期起始于開始命令，隨后是7位從機地址和第8位用于標識讀、寫操作。將第8位置低，表示寫操作；將第8位置高，表示讀操作。主機在第8個時鐘周期后釋放總線。如果從機應答數據傳輸，則在第9個時鐘周期將SDA拉低。如果從機不應答寫命令，則釋放SDA (該數據線通過上拉電阻置于高電平)。
隨后，主機寫入8位命令字節，然后是第二個ACK/NACK位。接下來，主機寫入8位數據字節并跟隨第三個ACK/NACK位。數據字節和最后的應答位完成一個讀/寫周期，更新外設輸出，圖5a是一個寫周期的詳細例子。
I²C讀周期起始于開始命令，隨后是需要寫入數據的從機地址、第8位置高，表示讀操作。在ACK/NACK之后，主機寫入命令字節訪問從機寄存器。在第二個ACK/NACK位后，主機重新寫入從機地址。在第三個ACK/NACK位后，從機控制總線，一次輸出8位數據到總線上。如圖5b所示，當從與上次讀操作相同的從機寄存器讀取數據時，主機只需要在讀取從機數據之前寫入從機地址。
圖5. 2線接口一次傳輸8位數據，圖5a是I²C寫周期的一個例子；圖5b是I²C讀周期的一個例子。
I²C接口支持低速(大于100kHz)、快速(大于400kHz)和高速(大于3.4MHz)三種數據速率。I²C接口的高低電平為CMOS邏輯電平(低電平為0.3x電源電壓以下，高電平為0.7x電源電壓以上)。
系統管理總線(SMBus)
Intel®制定了SMBus標準用于低速通信，SMBus 2線接口與I²C接口非常相似。SMBus也使用一條數據線(SMBDATA)和一條時鐘線(SMBCLK)進行通信。SMBCLK和SMBDATA也需要上拉電阻，3V供電時上拉電阻大于8.5kΩ，5V供電時上拉電阻大于14kΩ。SMBus工作電壓范圍在3V和5V之間，大于2.1V為高電平，低于0.8V為低電平。
I²C接口和SMBus接口的最主要區別是最高/最低時鐘速率，因為I²C總線為被動傳輸總線，不存在總線超時問題，速率可低至“靜止”。SMBus接口則存在總線超時問題。如果時鐘信號拉低之后的時間大于超時周期(最長為35ms)時，從機復位接口，認為發生總線超時。SMBus的超時周期限制了時鐘的最小速率為19kHz。為了保證正常通信，SMBCLK的速率必須介于10kHz至100kHz之間，而I²C接口的主機或從機則可根據傳輸數據的需要將時鐘保持在低電平。
外設舉例
微處理器經常通過串行接口與外設通信，當微處理器通過2線或3線接口訪問外設后，外設相應地改變其模擬或數字輸出。例如，指使外設設置電池的充電的電流和電壓、用溫度傳感器控制風扇、設置數模轉換器的模擬輸出等。
如圖6所示，通過2線接口連接微處理器和8位數/模轉換器(MAX5115)。因為這個DAC有四個地址選擇引腳，可以產生16個唯一的從機地址，因此可以在總線上并聯16個DAC，因為MAX6641有不同的從機地址，同樣的2線接口也可以設置SMBus溫度傳感器/風扇控制器(MAX6641)，風扇控制器控制MOSFET的柵極，使其打開或關閉風扇。
圖6. 由于微控制器采用的是I²C接口，與外設通信時，如DAC、溫度傳感器，總線只需要兩條連線。
3線接口需要單獨的片選線實現微處理器與多個并行從機之間的通信，更簡單的2線接口用一條時鐘線和一條數據線與總線上的每個設備通信。可以通過設定不同的從機地址在總線上掛接多個IC。大多數I²C接口外設具備地址選擇引腳，以實現從機地址的配置。外設可以使用的從地址數等于地址選擇引腳數的平方。例如，若外有兩個地址選擇引腳，它就可以配置四個不同的地址。
新一代設計以更少的地址選擇引腳提供更多的從地址。MAX7319是輸入/輸出擴展芯片，可以從兩個地址選擇引腳(AD2和AD0)擴展出16個從地址。這些引腳可以接GND、電源(VCC)、SDA或SCL。表2列出了這16個從地址的詳細信息，A6、A5、A4固定為110，A3至A0可以通過AD2、AD0設置。
表2. MAX7319僅利用2個地址線(AD2和AD0)即可編譯出16個不同地址
進一步改進
3線接口和2線接口有幾點不同的要求，每種接口都有其特殊優勢。近期內不可能用一種接口標準完全取代另一接口標準。具備I²C接口的器件發展較快，并開始融合一些SMBus接口的特點，支持諸如超時復位等功能，使接口可以根據需要關斷。新的I²C從機地址長達10位，而不僅僅是7位，這給用戶帶來更多的靈活性。
3線接口和2線接口將并存，但I²C接口似乎占有更大的市場份額，大部分微處理器支持2線接口。I²C接口的易用性及更少的連線使其增長量超過了SPI接口。
本文來源于Maxim。
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