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【Tech Tip】嵌入式系統中I2C和SPI通訊協定比較

嵌入式系統中的通信協定


通訊協定在我們理解和開發嵌入式系統和裝置方面起著核心作用,通訊協定是一個定義了兩個或多個通訊系統中的實體之間進行對話的系統,通訊協定定義了通訊的規則、語法、語義以及系統如何從錯誤中恢復,就像人類可以使用不同的語言與他人交流一樣,通訊協定促進了硬體、軟體或兩者組合之間的資料傳輸。


現今電腦硬體中使用了許多不同類型的通訊協定,常見的例子包括USB(Types A、Types B,以及最近推出的Types C)、乙太網路和藍牙等,通訊協定建立了在獨立的硬體和/或軟體系統之間傳輸資料和訊息的規則,協定涉及以下因素:

  • 用於資料交換的資料格式

  • 用於資料交換的位址格式

  • 位址映射 (mapping)

  • 路由 (Routing)

  • 檢測資料傳輸錯誤

  • 確認接收到的資料、資料傳輸失敗、或其他狀態變化

  • 訊息流的方向

  • 序列控制

  • 流量控制

通訊協定可以是有線的(需要物理介面來傳輸資料)、或無線的(無需物理介面來傳輸資料),有線協定可以實現內部通訊(在同一個匯流排上的裝置之間)、或外部通訊(在不同匯流排上的裝置之間)。


如果您的嵌入式系統專案涉及編程微控制器,以及與PCB上的外部裝置進行介面通訊,您需要選擇一種有線通訊協定,以有效實現裝置的內部通訊;最常見的通訊協定,可以滿足整合電路的這些需求,是I2C協定(Inter-Integrated Circuit,內部整合電路)和SPI協定(Serial Peripheral Interface,串行外部周邊介面),了解它們的差異將有助於選擇最適合您專案的協定。


在本文中,我們將深入討論I2C與SPI之間的比較,詳細介紹I2C和SPI協定的特點和優勢,解釋I2C和SPI之間的區別,並為您的下一個嵌入式裝置工程專案選擇I2C與SPI通訊協定提供建議。讓我們從每個協定的基本概觀開始。


什麼是 I2C 通訊協定?


I2C通訊協定是由Philips Semiconductor於1982年建立的,自2006年起,開發人員和嵌入式工程師被允許在不支付任何授權費用的情況下實現該協定。


I2C是一種雙線通訊協定,通常用於連接低速裝置,如微控制器、I/O介面、A/D和D/A轉換器、EEPROM和其他嵌入式系統中的周邊裝置,其中一條線稱為SCL(串行時脈),承載時脈訊號,而另一條線稱為SDA(串行資料),允許匯流排上的主裝置和從裝置進行資料的發送和接收;I2C協定允許將多個從 (Slave) 裝置連接到單個主 (master) 裝置,或者多個主裝置控制一個或多個從裝置。


I2C 通訊協定
I2C 通訊協定

一般而言,I2C通訊協定最適用於那些強調設計簡單和低製造成本而不是速度為取向的開發項目,與I2C協定相關的標準資料傳輸速率只有100 kbps,雖然某些配置為使用I2C的裝置可以達到高達5 Mbps的速度,這種速度被稱為「快速模式 (fast mode)」或「超高速模式 (ultra-fast mode)」。


什麼是 SPI 協定?


SPI協定是由Motorola在1980年代中期開發的,最早的SPI微控制器是以Motorola 68000微處理器建模的,該處理器被廣泛應用於早期的Macintosh電腦、Atari ST街機遊戲和雷射影印機。

SPI 協定
SPI 協定

  • SPI是一種四線通訊協定: 可用於將微控制器連接到同一串行匯流排上的各種裝置,包括溫度和壓力感測器、A/D和D/A轉換器、記憶體裝置、LCD等,四線配置對於在串行匯流排上的資料傳輸,提供了非常合理的方法。每條線對應於特定的邏輯訊號:

  • SCLK(串行時脈): 串行時脈訊號由主裝置傳輸到串行匯流排上的其他裝置,用於同步資料傳輸。

  • MOSI(主輸出,從輸入): MOSI訊號將主裝置的資料輸出傳送到串行匯流排上的從裝置。

  • MISO(主輸入,從輸出): MISO訊號將選定的從裝置的資料輸出傳送到串行匯流排上的主裝置、或微控制器。

  • SS(從選擇): 在SPI匯流排上,有一個主裝置和多個從裝置;主裝置可以與所有從裝置進行資料交換,但從裝置只能向主裝置發送資料,而不能相互之間直接通訊;主裝置使用從選擇訊號在傳送資料之前選擇與之通訊的從裝置。


SPI協定的開發主要在於實現在微控制器上初始化裝置的高速操作,一般而言,SPI協定最適用於對速度比生產成本更重要的項目,並且在需要使用額外線路進行SPI通訊時,不受線路數量限制,這也為SPI通訊提供了更高的速度和靈活性。如果您想在嵌入式設計項目中選擇I2C和SPI之間的通訊協定,可以參考它們的特點和應用場景,並根據具體需求做出適合的選擇。


比較I2C和SPI協定


現在我們清楚地定義了I2C(Inter-Integrated Circuit)和SPI(Serial Peripheral Interface)兩種常用於嵌入式系統的通訊協定,讓我們進一步進行比較,看看它們之間的相似之處和差異。


I2C vs SPI 通訊協定 - 有何不同之處?


I2C vs SPI 通訊協定比較表
I2C vs SPI 通訊協定比較表

I2C和SPI的優點和限制


總結比較I2C和SPI協定後,我們可以看到每種協定都有其優勢和限制,可根據設計需求選擇合適的協定。


I2C協定的優點在於其簡單性和方便添加額外裝置到匯流排上的能力,由於I2C只需要兩條線進行通訊,因此該協定非常適合擁有多個裝置的電路板,這有助於降低電路的成本和複雜性;此外,I2C還提供了流量控制和錯誤處理機制。


然而,I2C在通訊方案中使用了裝置地址和確認應答,這在某些情況下可能會增加額外的複雜性和成本。


另一方面,SPI在速度方面更為出色,SPI裝置使用推挽 (push-pull) 驅動器,相較於I2C協定中使用的開漏線路,能夠提供更高的速度和訊號完整性;此外,SPI支援全雙工通訊,使得主裝置和從裝置可以同時透過MOSI和MISO線傳送資料。


然而,與I2C不同,添加額外的裝置到SPI匯流排上可能會增加電路板的複雜性,這是因為每個從裝置都需要有自己的從選擇線,因此隨著每個裝置的增加,進行通訊所需的線數也會增加。


該為我的開發專案選擇使用 I2C 或 SPI


在這個階段,您應該已經有足夠的資料來為您的嵌入式產品開發專案選擇I2C和SPI通訊協定,如果您負擔得起額外成本,通常最好選擇SPI協定,除非您有明確的理由選擇I2C。這些理由可能包括:

  • 專案需要傳輸距離超過10米,且雜訊和干擾是重要因素;

  • 專案需要多個主裝置,這是SPI協定不支援的配置;

  • 在晶片上的實際空間非常有限,您希望只使用兩條線,而不是像SPI介面協定那樣使用四條線。

一旦您在I2C和SPI協定之間為嵌入式產品開發專案做出選擇,您需要投資適當的診斷工具,以減少產品上市時間並驗證其正確性能。


I2C和SPI開發工具


Total Phase提供了多種用於I2C和SPI協定的開發工具,包括封包產生器和協定分析儀。


I2C和SPI封包產生器

封包產生器可讓工程師對裝置進行編程,並模擬主裝置和從裝置,以測試和驗證系統。

Aardvark I2C/SPI封包產生器是一款通用的封包產生器,可作為I2C或SPI主裝置或從裝置;作為I2C主裝置和從裝置,它可以支援高達800 kHz的時脈訊號;作為SPI主裝置,它可以支援高達8 MHz的時脈訊號;作為SPI從裝置,它可以支援高達4 MHz的時脈訊號。

Cheetah SPI 封包產生器
Cheetah SPI 封包產生器

Cheetah SPI封包產生器是一款高速編程裝置,可對SPI的EEPROM和Flash記憶體快速編程;作為SPI主裝置,它可以支援高達40 MHz的時脈訊號。

Promira I2C/SPI/eSPI 多用協定分析平台
Promira I2C/SPI/eSPI 多用協定分析平台

Promira I2C/SPI/eSPI 多用協定分析平台是Total Phase最先進的串列裝置,透過其可升級的設計,使用者可以從多個I2C和SPI應用中進行選擇,這些應用提供不同的速度和功能,以滿足各種項目需求;作為I2C裝置,使用者可以選擇作為主裝置或從裝置,並且可以達到最高3.4 MHz的時脈速度;作為SPI裝置,使用者可以選擇作為主裝置,時脈速度可達到最高80 MHz;作為從裝置,時脈速度可達到最高20 MHz;這些速度取決於具體的應用和硬體設計,使用者可以根據專案需求選擇最適合的設定。

I2C和SPI協定分析儀

協定分析儀可讓工程師在裝置之間的匯流排上對通訊進行監視和除錯。

Beagle I2C/SPI 協定分析儀
Beagle I2C/SPI 協定分析儀

Beagle I2C/SPI協定分析儀可讓使用者非侵入式地監視高達4 MHz的I2C匯流排,和高達24 MHz的SPI匯流排。


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