Hardware ---常用的接口和通信协议 I2C

最近的项目使用SPI总线进行 SDRAM读写，这里总结下常用的接口和通信协议UART,SPI,I2C

I2C协议

• 2条双向串行线，一条数据线SDA，一条时钟线SCL，半双工通信方式。
• SDA传输数据是大端传输，每次传输8bit，即一字节。
• I2C可以支持0kHz~5MHz的设备：普通模式（100kHz即100kbps）、快速模式（400kHz）、快速模式+（1MHz）、高速模式（3.4MHz）和超高速模式（5MHz）
• 支持多主控(multimastering)，任何时间点只能有一个主控。

1） I2C空闲状态

• I2C总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

2）起始信号与停止信号

• 起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。
• 停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。
  

3）数据有效性

• 数据传输：SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据bit；
  若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束（后面讲）
• 数据改变：SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit
  • 即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在在下降沿到来之前必须稳定。
    

4）应答信号ACK

• 发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。 对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。
• 如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。
  

5）I2C写流程

写寄存器的标准流程为：

1. Master发起START
2. Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
3. Slave发送ACK
4. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
5. Slave发送ACK
6. Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
7. Slave发送ACK
8. 第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
9. Master发起STOP

5）I2C读流程

读寄存器的标准流程为：

1. Master发送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
2. Slave发送ACK
3. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
4. Slave发送ACK
5. Master发起START
6. Master发送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
7. Slave发送ACK
8. Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
9. Master发送ACK
10. 第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

与串行端口、SPI对比

串行端口

• 串行端口是异步的（不传输时钟相关数据），两个设备在使用串口通信时，必须先约定一个数据传输速率，并且这两个设备各自的时钟频率必须与这个速率保持相近，某一方的时钟频率相差很大都会导致数据传输混乱。
• 异步串行端口在每个数据帧中都要插入至少一个起始位和一个终止位，意味着每传输8bits的数据实际要花费10bits的传输时间，从而降低了数据传输速率。
• 另一个问题是异步串行端口的设计就是针对两个设备之间通信的，那么如果有多个设备连接到一个串口上，就必须解决信号碰撞的问题(bus contention)，通常要通过额外硬件来完成。
• 最后就是数据传输速率，异步串行通信并没有一个理论上的速率限制，大部分UART设备只支持一些特定的波特率，最高通常在230400bps左右。

SPI

• SPI是全双工的通信，最明显的缺点就是引脚数量，使用SPI总线相连的一个master和一个slave需要四根线（MISO/MOSI/SCK/CS），每增加一个slave，就需要在master上增加一个CS引脚。当一个master接多个slaves的时候，疯狂增长的引脚连接是难以忍受的，并且对紧凑的PCB layout是一个挑战。
• SPI总线上只允许有一个master，但可以有任意多个slaves（只受限于总线上设备的驱动程序的能力，以及设备上最多能有多少个CS引脚）。
• SPI可以很好的用于高速率全双工的连接，对一些设备可支持高达10MHz（10Mbps）的传输速率，因此SPI吞吐量大得多。SPI两端的设备通常是一个简单的移位寄存器，让软件的实现很简单。

I2C

• I2C最少只需要两根线，和异步串口类似，但可以支持多个slave设备。和SPI不同的是，I2C可以支持mul-master系统，允许有多个master并且每个master都可以与所有的slaves通信（master之间不可通过I2C通信，并且每个master只能轮流使用I2C总线）。master是指启动数据传输的设备并在总线上生成时钟信号以驱动该传输，而被寻址的设备都作为slaves。