串行總線協議筆記

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I2C

--INTER-IC串行總線的縮寫，是PHILIPS公司推出的芯片間串行傳輸總線。它以1根串行數據線（SDA）和1根串行時鐘線（SCL）實 現了雙工的同步數據傳輸。具有接口線少，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優點。? I2C總線是雙向、兩線(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口標準，具有總線仲裁機制，非常適合在器件之間進行近距離、非經常性的數據通信。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線 上，通過地址來識別通信對象。

IIC 接口的協議里面包括設備地址信息，可以同一總線上連接多個從設備，通過應答來互通數據及命令。但是傳輸速率有限，標準模式下可達到100Kbps，快速模式下可達到400Kbps（我們開發板一般在130Kbps），高速模式下達到4Mbps，不能實現全雙工，不適合傳輸很多的數據。

IIC總線是一個真正的多主機總線，總線上多個主機初始化傳輸，可以通過傳輸檢測和仲裁來防止數據被破壞 。

下來詳細了解IIC總線時序：

1.1 總線數據有效性

IIC總線是單工，因此同一時刻數據只有一個流向，因此采樣有效時鐘也是單一的，是在SCL時鐘的高電平采樣數據。

IIC總線上SDA數據在SCL時鐘低電平是可以發生變化，但是在時鐘高電平時必須穩定，以便主從設備根據時鐘采樣數據，如下圖：

1.2 總線空閑條件

IIC總線上設備都釋放總線（發出傳輸停止）后，IIC總線根據上拉電阻變成高電平，SDA SCL都是高電平。

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1.3 總線數據傳輸起始和結束條件

IIC總線SCL高電平時SDA出現由高到低的跳變，標志總線上數據傳輸的開始條件

IIC總線SCL高電平時SDA出現由低到高的跳變，標志總線上數據傳輸的結束條件

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1.4 總線數據傳輸順序以及ACK應答

IIC總線上數據傳輸室MSB在前，LSB在后，從示波器上看，從左向右依次讀出數據即可

IIC總線傳輸的數據不收限制，但是每次發到SDA上的必須是8位，并且主機發送8位后釋放總線，從機收到數據后必須拉低SDA一個時鐘，回應ACK表示數據接收成功，我們如果示波器上看到的波形就是每次9位數據，8bit+1bit ack。如下：

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從機收到一字節數據后，如果需要一些時間處理，則會拉低SCL，讓傳輸進入等待狀態，處理完成，釋放SCL，繼續傳輸，如下：

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1.5 總線讀寫時序

數據的傳輸在起始條件之后，發送一個7位的從機地址，緊接著第8位是數據方向（R/ W），0-表示發送數據（寫），1-表示接收數據（讀）。數據傳輸一般由主機產生的停止位（P）終止。但是如果主機仍希望在總線上通訊，它可以產生重復起始條件（Sr），和尋址另一個從機，而不是首先產生一個停止條件。在這種傳輸中，可能有不同的讀/寫格式結合。

IIC總線主設備讀寫從設備，一般都是與從設備的寄存器打交道，這個可以通過閱讀從設備的datasheet獲取。總線寫時序如下：

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

總線讀時序如下：

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

總線讀時序與寫的不同之處在于讀需要2次傳輸才能完成一次讀取，首先要寫寄存器地址到從設備，其實是寫到了從設備的控制寄存器或者命令寄存器，從設備內部會根據這個地址來尋址所要操作的寄存器。

我在讀我們的bios和內核時發現，2者在總線讀時序上的實現不太一樣，在于第一次寄存器地址寫入后，一個發的是restart，一個發的是stop，然后再start開始讀取數據，示波器抓波形發現讀取數據都正確，說明這2種時序都是正確的。

IIC總線的讀寫時序比較固定，設備通信嚴格遵循協議，因此iIC總線設備驅動程序的編寫也就相對簡單一些。

主要應用的iIc總線設備有touchscreen rtc 外擴io等

http://blog.chinaunix.net/uid-21785445-id-2688689.html

IIC總線協議最重要的是起始信號，終止信號和應答信號。起始信號和終止信號由主機產生，應答信號是每次傳輸完成一個字節數據后必須有的，用于確認傳輸是否完成，主機向設備發一個字節數據后需要設備作應答，確認設備是否收到數據，主機收一個字節數據后需要向設備發一個應答信號，告訴設備數據是否收到。

(1) 起始信號:在時鐘線保持高電平期間，數據線出現由高電平向低電平變化時啟動I2C總線;
(2) 終止信號:在時鐘線保持高電平期間，數據線出現由低電平向高電平變化時停止I2C總線;
(3) 應答信號:應答信號在第9個時鐘位上出現，接收器輸出低電平為應答信號(A)，輸出高電平則為非應答信號(/A)。

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IIC數據傳輸:SCL為高電平時將SDA上數據發走，所以SDA上數據必須在SCL為高電平期間保持穩定，IIC總線首先傳輸的是數據最高位，最后是最低位。

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設備地址：在起始信號后，需要向設備發送一個字節的設備地址，其中高七位為設備的地址，表示同哪個設備進行通信，最低位為數據傳輸方向，1表示讀(接收)，0表示寫(發送)。

1.發送(寫)一個字節數據流程

a.起始信號

b.發送一個設備地址，這里為0，表示發送(寫))，設備應答

c.發送設備的寫的基地址，設備應答

d.發送數據到設備基地址，設備應答

e.停止信號

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2.接收(讀)一個字節數據流程

a.起始信號

b.發送一個設備地址，這里為0，表示發送(寫))，設備應答

c.發送從設備要讀數據的基地址，設備應答

d.起始信號

e.發送一個設備地址，這里為1，表示接收(讀))，設備應答

f.從設備基地址處接收到一個字節的數據，主機應答

g.停止信號

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從設備地址讀或寫一個字節數據后，設備讀寫地址會自動加1

3.連續發送(寫)多個字節數據

a.起始信號

b.發送一個設備地址，這里為0，表示發送(寫))，設備應答

c.發送設備的寫的基地址，設備應答

d.發送數據到設備基地址，設備應答

e.發送數據到設備(基地址+1)，設備應答

f.發送數據到設備(基地址+2)，設備應答

g.發送數據到設備(基地址+n)，設備應答

h.停止信號

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4.連續接收(讀)多個字節數據

a.起始信號

b.發送一個設備地址，這里為0，表示發送(寫))，設備應答

c.發送從設備要讀數據的基地址，設備應答

d.起始信號

e.發送一個設備地址，這里為1，表示接收(讀))，設備應答

f.從設備基地址處接收到一個字節的數據，主機應答

g.從設備(基地址處+1)接收到一個字節的數據，主機應答

h.從設備(基地址處+2)接收到一個字節的數據，主機應答

i.從設備(基地址處+n)接收到一個字節的數據，主機應答

j.停止信號

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SPI

?? SPI 的通信原理很簡單，它需要至少4根線，事實上3根也可以。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數據輸入），SDO（數據輸出），SCK（時 鐘），CS（片選）。其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許 在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。

接下來就負責通訊的3根線了。通訊是通過數據交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過SDO線，數據在時鐘上沿或下沿時改變，在緊接著的下沿或上沿被讀取。 完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數據的傳輸。

1) SCLK：串行時鐘，用來同步數據傳輸，由主機輸出；

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2) MOSI：主機輸出從機輸入數據線；

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3) MISO：主機輸入從機輸出數據線；

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4) SS：片選線，低電平有效，由主機輸出。

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在SPI總線上，某一時刻可以出現多個從機，但只能存在一個主機，主機通過片選線來確定要通信的從機。這就要求從機的MISO口具有三態特性，使得該口線在器件未被選通時表現為高阻抗。

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?? ?要注意的是，SCK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主控設備。

這樣傳輸的特點：這樣的傳輸方式有一個優點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續傳送至少8位數據，而SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據。也就是說，主設備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。

SPI還是一個數據交換協議：因為SPI的數據輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數據的輸入和輸出。

不同的SPI設備的實現方式不盡相同，主要是數據改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關器件的文檔。

? ?? 概述
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? ?? ?上圖只是對 SPI 設備間通信的一個簡單的描述, 下面就來解釋一下圖中所示的幾個組件(Module):
? ?? ? SSPBUF, Synchronous Serial Port Buffer, 泛指 SPI 設備里面的內部緩沖區, 一般在物理上是以 FIFO 的形式, 保存傳輸過程中的臨時數據;
? ?? ? SSPSR, Synchronous Serial Port Register, 泛指 SPI 設備里面的移位寄存器(Shift Regitser), 它的作用是根據設置好的數據位寬(bit-width) 把數據移入或者移出 SSPBUF;
? ?? ? Controller, 泛指 SPI 設備里面的控制寄存器, 可以通過配置它們來設置 SPI 總線的傳輸模式.
? ?? ???通常情況下, 我們只需要對上圖所描述的四個管腳(pin) 進行編程即可控制整個 SPI 設備之間的數據通信:
??? ???SCK, Serial Clock, 主要的作用是 Master 設備往 Slave 設備傳輸時鐘信號, 控制數據交換的時機以及速率;
? ?? ???SS/CS, Slave Select/Chip Select, 用于 Master 設備片選 Slave 設備, 使被選中的 Slave 設備能夠被 Master 設備所訪問;
? ?? ???SDO/MOSI, Serial Data Output/Master Out Slave In, 在 Master 上面也被稱為 Tx-Channel, 作為數據的出口, 主要用于 SPI 設備發送數據;
? ?? ???SDI/MISO, Serial Data Input/Master In Slave Out, 在 Master 上面也被稱為 Rx-Channel, 作為數據的入口, 主要用于SPI 設備接收數據;

? ?? ???SPI 設備在進行通信的過程中, Master 設備和 Slave 設備之間會產生一個數據鏈路回環(Data Loop), 就像上圖所畫的那樣, 通過 SDO 和 SDI 管腳, SSPSR 控制數據移入移出 SSPBUF, Controller 確定 SPI 總線的通信模式, SCK 傳輸時鐘信號.

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　　SSPSR.

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? ?? ???SSPSR 是 SPI 設備內部的移位寄存器(Shift Register). 它的主要作用是根據 SPI 時鐘信號狀態, 往 SSPBUF 里移入或者移出數據, 每次移動的數據大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所決定.

? ?? ???Bus-Width 的作用是指定地址總線到 Master 設備之間數據傳輸的單位.
? ?? ???例如, 我們想要往 Master 設備里面的 SSPBUF 寫入 16 Byte 大小的數據: 首先, 給 Master 設備的配置寄存器設置 Bus-Width 為 Byte; 然后往 Master 設備的 Tx-Data 移位寄存器在地址總線的入口寫入數據, 每次寫入 1 Byte 大小的數據(使用 writeb 函數); 寫完 1 Byte 數據之后, Master 設備里面的 Tx-Data 移位寄存器會自動把從地址總線傳來的1 Byte 數據移入 SSPBUF 里; 上述動作一共需要重復執行 16 次.

? ?? ???Channel-Width 的作用是指定 Master 設備與 Slave 設備之間數據傳輸的單位. 與 Bus-Width 相似,??Master 設備內部的移位寄存器會依據 Channel-Width 自動地把數據從 Master-SSPBUF 里通過 Master-SDO 管腳搬運到 Slave 設備里的 Slave-SDI 引腳, Slave－SSPSR 再把每次接收的數據移入 Slave-SSPBUF里.

? ?? ???通常情況下, Bus-Width 總是會大于或等于 Channel-Width, 這樣能保證不會出現因 Master 與 Slave 之間數據交換的頻率比地址總線與 Master 之間的數據交換頻率要快, 導致 SSPBUF 里面存放的數據為無效數據這樣的情況.


?????? ?SSPBUF.

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? ?? ?? ? 我們知道, 在每個時鐘周期內, Master 與 Slave 之間交換的數據其實都是 SPI 內部移位寄存器從 SSPBUF 里面拷貝的. 我們可以通過往 SSPBUF 對應的寄存器 (Tx-Data / Rx-Data register) 里讀寫數據, 間接地操控 SPI 設備內部的 SSPBUF.

? ?? ?? ? 例如, 在發送數據之前, 我們應該先往 Master 的 Tx-Data 寄存器寫入將要發送出去的數據, 這些數據會被 Master-SSPSR 移位寄存器根據 Bus-Width 自動移入 Master-SSPBUF 里, 然后這些數據又會被 Master-SSPSR 根據 Channel-Width 從 Master-SSPBUF 中移出, 通過 Master-SDO??管腳傳給 Slave-SDI 管腳,??Slave-SSPSR 則把從??Slave-SDI 接收到的數據移入 Slave-SSPBUF 里.??與此同時, Slave-SSPBUF 里面的數據根據每次接收數據的大小(Channel-Width), 通過 Slave-SDO 發往 Master-SDI, Master-SSPSR 再把從 Master-SDI 接收的數據移入 Master-SSPBUF.在單次數據傳輸完成之后, 用戶程序可以通過從 Master 設備的 Rx-Data 寄存器讀取 Master 設備數據交換得到的數據.


? ?? ?Controller.

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? ?? ?? ? Master 設備里面的 Controller 主要通過時鐘信號(Clock Signal)以及片選信號(Slave Select Signal)來控制 Slave 設備. Slave 設備會一直等待, 直到接收到 Master 設備發過來的片選信號, 然后根據時鐘信號來工作.

? ?? ?? ? Master 設備的片選操作必須由程序所實現. 例如: 由程序把 SS/CS 管腳的時鐘信號拉低電平, 完成 SPI 設備數據通信的前期工作; 當程序想讓 SPI 設備結束數據通信時, 再把 SS/CS 管腳上的時鐘信號拉高電平.

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Ps:暫時用不到的概念：?

CPOL: 時鐘極性, 表示 SPI 在空閑時, 時鐘信號是高電平還是低電平. 若 CPOL 被設為 1, 那么該設備在空閑時 SCK 管腳下的時鐘信號為高電平. 當 CPOL 被設為 0 時則正好相反.

? ?? ???CPHA: 時鐘相位, 表示 SPI 設備是在 SCK 管腳上的時鐘信號變為上升沿時觸發數據采樣, 還是在時鐘信號變為下降沿時觸發數據采樣. 若 CPHA 被設置為 1, 則 SPI 設備在時鐘信號變為下降沿時觸發數據采樣, 在上升沿時發送數據. 當 CPHA 被設為 0 時也正好相反.