串行总线协议笔记

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发布时间：2019-06-18

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I2C

--INTER-IC串行总线的缩写，是PHILIPS公司推出的芯片间串行传输总线。它以1根串行数据线（SDA）和1根串行时钟线（SCL）实现了双工的同步数据传输。具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。 I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。

IIC 接口的协议里面包括设备地址信息，可以同一总线上连接多个从设备，通过应答来互通数据及命令。但是传输速率有限，标准模式下可达到100Kbps，快速模式下可达到400Kbps（我们开发板一般在130Kbps），高速模式下达到4Mbps，不能实现全双工，不适合传输很多的数据。

IIC总线是一个真正的多主机总线，总线上多个主机初始化传输，可以通过传输检测和仲裁来防止数据被破坏。

下来详细了解IIC总线时序：

1.1 总线数据有效性

IIC总线是单工，因此同一时刻数据只有一个流向，因此采样有效时钟也是单一的，是在SCL时钟的高电平采样数据。

IIC总线上SDA数据在SCL时钟低电平是可以发生变化，但是在时钟高电平时必须稳定，以便主从设备根据时钟采样数据，如下图：

1.2 总线空闲条件

IIC总线上设备都释放总线（发出传输停止）后，IIC总线根据上拉电阻变成高电平，SDA SCL都是高电平。

1.3 总线数据传输起始和结束条件

IIC总线SCL高电平时SDA出现由高到低的跳变，标志总线上数据传输的开始条件

IIC总线SCL高电平时SDA出现由低到高的跳变，标志总线上数据传输的结束条件

1.4 总线数据传输顺序以及ACK应答

IIC总线上数据传输室MSB在前，LSB在后，从示波器上看，从左向右依次读出数据即可

IIC总线传输的数据不收限制，但是每次发到SDA上的必须是8位，并且主机发送8位后释放总线，从机收到数据后必须拉低SDA一个时钟，回应ACK表示数据接收成功，我们如果示波器上看到的波形就是每次9位数据，8bit+1bit ack。如下：

从机收到一字节数据后，如果需要一些时间处理，则会拉低SCL，让传输进入等待状态，处理完成，释放SCL，继续传输，如下：

1.5 总线读写时序

数据的传输在起始条件之后，发送一个7位的从机地址，紧接着第8位是数据方向（R/ W），0-表示发送数据（写），1-表示接收数据（读）。数据传输一般由主机产生的停止位（P）终止。但是如果主机仍希望在总线上通讯，它可以产生重复起始条件（Sr），和寻址另一个从机，而不是首先产生一个停止条件。在这种传输中，可能有不同的读/写格式结合。

IIC总线主设备读写从设备，一般都是与从设备的寄存器打交道，这个可以通过阅读从设备的datasheet获取。总线写时序如下：

master start + master addr|w + slave ack + master reg|w + slave ack + master data + slave ack + master restart。。master data + slave nack + master stop

总线读时序如下：

master start + master addr|w + slave ack + master reg|w + slave ack + master restart + master addr|r + slave ack + slave data + master nack + master stop

总线读时序与写的不同之处在于读需要2次传输才能完成一次读取，首先要写寄存器地址到从设备，其实是写到了从设备的控制寄存器或者命令寄存器，从设备内部会根据这个地址来寻址所要操作的寄存器。

我在读我们的bios和内核时发现，2者在总线读时序上的实现不太一样，在于第一次寄存器地址写入后，一个发的是restart，一个发的是stop，然后再start开始读取数据，示波器抓波形发现读取数据都正确，说明这2种时序都是正确的。

IIC总线的读写时序比较固定，设备通信严格遵循协议，因此iIC总线设备驱动程序的编写也就相对简单一些。

主要应用的iIc总线设备有touchscreen rtc 外扩io等

IIC总线协议最重要的是起始信号，终止信号和应答信号。起始信号和终止信号由主机产生，应答信号是每次传输完成一个字节数据后必须有的，用于确认传输是否完成，主机向设备发一个字节数据后需要设备作应答，确认设备是否收到数据，主机收一个字节数据后需要向设备发一个应答信号，告诉设备数据是否收到。

(1) 起始信号:在时钟线保持高电平期间，数据线出现由高电平向低电平变化时启动I2C总线;

(2) 终止信号:在时钟线保持高电平期间，数据线出现由低电平向高电平变化时停止I2C总线;

(3) 应答信号:应答信号在第9个时钟位上出现，接收器输出低电平为应答信号(A)，输出高电平则为非应答信号(/A)。

IIC数据传输:SCL为高电平时将SDA上数据发走，所以SDA上数据必须在SCL为高电平期间保持稳定，IIC总线首先传输的是数据最高位，最后是最低位。

设备地址：在起始信号后，需要向设备发送一个字节的设备地址，其中高七位为设备的地址，表示同哪个设备进行通信，最低位为数据传输方向，1表示读(接收)，0表示写(发送)。

1.发送(写)一个字节数据流程

a.起始信号

b.发送一个设备地址，这里为0，表示发送(写))，设备应答

c.发送设备的写的基地址，设备应答

d.发送数据到设备基地址，设备应答

e.停止信号

2.接收(读)一个字节数据流程

a.起始信号

b.发送一个设备地址，这里为0，表示发送(写))，设备应答

c.发送从设备要读数据的基地址，设备应答

d.起始信号

e.发送一个设备地址，这里为1，表示接收(读))，设备应答

f.从设备基地址处接收到一个字节的数据，主机应答

g.停止信号

从设备地址读或写一个字节数据后，设备读写地址会自动加1

3.连续发送(写)多个字节数据

a.起始信号

b.发送一个设备地址，这里为0，表示发送(写))，设备应答

c.发送设备的写的基地址，设备应答

d.发送数据到设备基地址，设备应答

e.发送数据到设备(基地址+1)，设备应答

f.发送数据到设备(基地址+2)，设备应答

g.发送数据到设备(基地址+n)，设备应答

h.停止信号

4.连续接收(读)多个字节数据

a.起始信号

b.发送一个设备地址，这里为0，表示发送(写))，设备应答

c.发送从设备要读数据的基地址，设备应答

d.起始信号

e.发送一个设备地址，这里为1，表示接收(读))，设备应答

f.从设备基地址处接收到一个字节的数据，主机应答

g.从设备(基地址处+1)接收到一个字节的数据，主机应答

h.从设备(基地址处+2)接收到一个字节的数据，主机应答

i.从设备(基地址处+n)接收到一个字节的数据，主机应答

j.停止信号

SPI

SPI 的通信原理很简单，它需要至少4根线，事实上3根也可以。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

1) SCLK：串行时钟，用来同步数据传输，由主机输出；

2) MOSI：主机输出从机输入数据线；

3) MISO：主机输入从机输出数据线；

4) SS：片选线，低电平有效，由主机输出。

在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机，主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。

要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。

这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。

不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

概述

上图只是对 SPI 设备间通信的一个简单的描述, 下面就来解释一下图中所示的几个组件(Module):

SSPBUF, Synchronous Serial Port Buffer, 泛指 SPI 设备里面的内部缓冲区, 一般在物理上是以 FIFO 的形式, 保存传输过程中的临时数据;

SSPSR, Synchronous Serial Port Register, 泛指 SPI 设备里面的移位寄存器(Shift Regitser), 它的作用是根据设置好的数据位宽(bit-width) 把数据移入或者移出 SSPBUF;

Controller, 泛指 SPI 设备里面的控制寄存器, 可以通过配置它们来设置 SPI 总线的传输模式.

通常情况下, 我们只需要对上图所描述的四个管脚(pin) 进行编程即可控制整个 SPI 设备之间的数据通信:

SCK, Serial Clock, 主要的作用是 Master 设备往 Slave 设备传输时钟信号, 控制数据交换的时机以及速率;

SS/CS, Slave Select/Chip Select, 用于 Master 设备片选 Slave 设备, 使被选中的 Slave 设备能够被 Master 设备所访问;

SDO/MOSI, Serial Data Output/Master Out Slave In, 在 Master 上面也被称为 Tx-Channel, 作为数据的出口, 主要用于 SPI 设备发送数据;

SDI/MISO, Serial Data Input/Master In Slave Out, 在 Master 上面也被称为 Rx-Channel, 作为数据的入口, 主要用于SPI 设备接收数据;

SPI 设备在进行通信的过程中, Master 设备和 Slave 设备之间会产生一个数据链路回环(Data Loop), 就像上图所画的那样, 通过 SDO 和 SDI 管脚, SSPSR 控制数据移入移出 SSPBUF, Controller 确定 SPI 总线的通信模式, SCK 传输时钟信号.

　　SSPSR.

SSPSR 是 SPI 设备内部的移位寄存器(Shift Register). 它的主要作用是根据 SPI 时钟信号状态, 往 SSPBUF 里移入或者移出数据, 每次移动的数据大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所决定.

Bus-Width 的作用是指定地址总线到 Master 设备之间数据传输的单位.

例如, 我们想要往 Master 设备里面的 SSPBUF 写入 16 Byte 大小的数据: 首先, 给 Master 设备的配置寄存器设置 Bus-Width 为 Byte; 然后往 Master 设备的 Tx-Data 移位寄存器在地址总线的入口写入数据, 每次写入 1 Byte 大小的数据(使用 writeb 函数); 写完 1 Byte 数据之后, Master 设备里面的 Tx-Data 移位寄存器会自动把从地址总线传来的1 Byte 数据移入 SSPBUF 里; 上述动作一共需要重复执行 16 次.

Channel-Width 的作用是指定 Master 设备与 Slave 设备之间数据传输的单位. 与 Bus-Width 相似, Master 设备内部的移位寄存器会依据 Channel-Width 自动地把数据从 Master-SSPBUF 里通过 Master-SDO 管脚搬运到 Slave 设备里的 Slave-SDI 引脚, Slave－SSPSR 再把每次接收的数据移入 Slave-SSPBUF里.

通常情况下, Bus-Width 总是会大于或等于 Channel-Width, 这样能保证不会出现因 Master 与 Slave 之间数据交换的频率比地址总线与 Master 之间的数据交换频率要快, 导致 SSPBUF 里面存放的数据为无效数据这样的情况.

SSPBUF.

我们知道, 在每个时钟周期内, Master 与 Slave 之间交换的数据其实都是 SPI 内部移位寄存器从 SSPBUF 里面拷贝的. 我们可以通过往 SSPBUF 对应的寄存器 (Tx-Data / Rx-Data register) 里读写数据, 间接地操控 SPI 设备内部的 SSPBUF.

例如, 在发送数据之前, 我们应该先往 Master 的 Tx-Data 寄存器写入将要发送出去的数据, 这些数据会被 Master-SSPSR 移位寄存器根据 Bus-Width 自动移入 Master-SSPBUF 里, 然后这些数据又会被 Master-SSPSR 根据 Channel-Width 从 Master-SSPBUF 中移出, 通过 Master-SDO 管脚传给 Slave-SDI 管脚, Slave-SSPSR 则把从 Slave-SDI 接收到的数据移入 Slave-SSPBUF 里. 与此同时, Slave-SSPBUF 里面的数据根据每次接收数据的大小(Channel-Width), 通过 Slave-SDO 发往 Master-SDI, Master-SSPSR 再把从 Master-SDI 接收的数据移入 Master-SSPBUF.在单次数据传输完成之后, 用户程序可以通过从 Master 设备的 Rx-Data 寄存器读取 Master 设备数据交换得到的数据.

Controller.