I2C和SPI协议

Posted 2022-12-14 Dufre.WC

I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit）是Philips公司开发的两线式串行总线，I2C支持多主控（Multi-Mastering）模式，任何能够进行发送和接收的设备都可以成为Master，Master能够控制数据的传输和时钟频率，在任意时刻只能有一个主控。

组成I2C总线的两个信号为数据线SDA和时钟SCL。I2C规定：

• 每一支I2C设备都有一个唯一的七位设备地址
• 数据帧大小为8位的字节
• 数据帧中的某些数据位用于控制通信的开始、停止、方向（读写）和应答机制

I2C数据有以下几种模式：

• 标准模式（100kbps）
• 快速模式（400kbps）
• 高速模式（3.4Mbps）

I2C通信过程大致如下：

• 首先Master发一个START信号，告诉其他设备开始监听总线以准备接收数据。
• 接着，主设备发送一个7位设备地址加一位的读写操作的数据帧。
• 当设备接收数据后，比对地址自己是否为目标设备
  • 不是目标设备：设备进入等待状态，等待STOP信号的来临
  • 是目标设备：设备会发送一个应答信号-ACKNOWLEDGE作回应
• 主设备收到应答后，便开始传送或接收数据，数据帧大小为8位，尾随一位的应答信号
• 主设备发送数据，从设备应答；主设备接数据，主设备应答
• 当数据传送完毕，主设备发送一个STOP信号，向其它设备宣告释放总线，其它设备回到初始状态

I2C消息结构

• addr：发送地址
• flags
• len：msg长度
• buf：msg数据

include/uapi/linux/i2c.h

struct i2c_msg 
	__u16 addr;	/* slave address */
	__u16 flags;
#define I2C_M_RD 0x0001 /* read data, from slave to master */
					/* I2C_M_RD is guaranteed to be 0x0001! */
#define I2C_M_TEN 0x0010 /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_DMA_SAFE 0x0200 /* the buffer of this message is DMA safe */
					/* makes only sense in kernelspace */
					/* userspace buffers are copied anyway */
#define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 /* length will be first received byte */
#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NOSTART 0x4000 /* if I2C_FUNC_NOSTART */
#define I2C_M_STOP 0x8000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
	__u16 len;		/* msg length */
	__u8 *buf;		/* pointer to msg data */
;

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface），四根线：

• SCLK：Serial Clock（output from master）
• MOSI：Master Output，Slave Input（output from master）
• MISO：Master Input，Slave Output
• SS：Slave Select（active low，output from master）

SPI的速率一般只有几十M左右，而且发送数据一般没有ACK回应。


SPI是单主设备（single-master）通信协议，这意味着总线中的只有一支中心设备能够发起通信。当SPI主设备想读/写从设备时：

• 拉低从设备对应的SS线（SS低电平有效）
• 发送工作脉冲到时钟线上
• 在相应脉冲时间上
  • 主设备把信号发到MOSI实现“写”
  • 对MISO采样而实现读

在SPI中要注意以下的配置，其中：

• SPI_CPHA：采样的时机
  • 0表示每个时钟周期的第一个沿采样
  • 1表示每个时钟周期的第二个沿采样
• SPI_CPOL：时钟开始的极性
  • 0表示低电平开始，
  • 1表示高电平开始

SPI_CPHA和SPI_CPOL有四种组合，对应SPI_MODE_0 ~ SPI_MODE_3

include/linux/spi/spi.h

#define SPI_CPHA 0x01 /* clock phase */
#define SPI_CPOL 0x02 /* clock polarity */
#define SPI_MODE_0 (0|0) /* (original MicroWire) */
#define SPI_MODE_1 (0|SPI_CPHA)
#define SPI_MODE_2 (SPI_CPOL|0)
#define SPI_MODE_3 (SPI_CPOL|SPI_CPHA)

Reference

关于I2C和SPI总线协议