雖然現實世界中的信號都是模擬信號，但是現在越來越多的模擬IC采用數字接口進行通信。串行接口的數據通信介於主機(提供串行時鍾)和從機/外設之間。目前
，大多數微控製器提供SPI (3線)和I²C (2線)接口，用於發送、接收數據。微處理器通過幾條總線控製周邊的設備，比如：模/數轉換器(ADC)

、數/模轉換器(DAC)、智能電池
、端口擴展、EEPROM以及溫度傳感器。與通過並口傳輸數據不同的是：串行接口通過2條、3條或4條數據/時鍾總線連續傳輸數據。雖然並行接口具有傳輸速度快的特點，但是串行接口占用較少的控製和數據線。

 

 

串行接口有三種：3線、2線和單線。本文主要討論3線和2線串行接口。串行外設接口(SPI)、隊列串行外設接口(QSPI™)和MICROWIRE™ (或MICROWIRE PLUS™)接口標準均采用3線接口。芯片間總線(I²C)和係統管理總線(SMBus™)均為2線接口。這些串行接口擁有各自的優點和缺點，如表1所示。

 

 

3線接口使用片選線(低電平有效CS或SS)
、時鍾線(SCLK)和數據輸入/主機輸出線(DIN或MOSI)。3線接口有時也包括一條數據輸出/主機輸入線(DOUT或MISO)
，這時也叫做4線接口。為了敘述的簡便，本文將3線接口和4線接口統稱為3線接口。

 

3線接口可以以更高的時鍾頻率工作，並且不需要上拉電阻。SPI/QSPI和MICROWIRE接口都可以工作在全雙工模式(數據可以在同一時間發送和接收)，一般在嘈雜環境下工作不成問題。3線接口是邊沿觸發
，不是電平觸發

，因此具有更強的抗幹擾能力。

 

3線接口的主要缺點是它要為每一個從機提供一條低電平有效的CS線，除非將從機用菊鏈形式連接，如圖1所示(後續章節將詳細討論菊鏈方式)。另外一個缺點是3線接口沒有應答機製去判斷數據的收發是否正確。從軟件設計看，在單主機/單從機應用中，3線接口比2線接口簡單，效率更高。

 

圖1. 利用數據輸入、數據輸出
、時鍾和片選信號進行通信的3線接口。

 

 

2線接口包括一條數據線(SDA或SMBDATA)和一條時鍾線(SCL或SMBCLK)。2線接口的優點是使用更少的連線
，這一點對於結構緊湊的設計尤為重要
，比如：手機
、光纖的應用。因為2線接口為每個從機分配唯一的地址，所以可以在一條總線連接多個從機而不需要片選信號。2線接口在成功完成一次讀操作後會傳輸一個應答位。因為2線接口隻有一條數據線，所以它隻能工作在半雙工模式(數據的讀寫不可以同時進行)。因為2線接口是電平觸發，所以在嘈雜環境中如果發生數據位錯誤
，可能造成問題。

 

表1. 3/2線接口優缺點的對比

 

主zhu機ji和he從cong機ji經jing由you多duo條tiao總zong線xian通tong過guo串chuan行xing接jie口kou進jin行xing通tong訊xun。在zai寫xie周zhou期qi，主zhu機ji使shi用yong自zi己ji產chan生sheng的de時shi鍾zhong和he數shu據ju將jiang數shu據ju傳chuan至zhi從cong機ji。在zai讀du周zhou期qi
，從cong機ji傳chuan輸shu數shu據ju至zhi主zhu機ji。

 

 

由Motorola®製定的SPI接口已被很多流行的處理器和微控製器采用，比如MAXQ2000。SPI接口需要兩條控製線(低電平有效CS和SCLK)和兩條數據線(DIN/SDI和DOUT/SDO)。Motorola的SPI/QSPI標準稱DIN/SDI數據線為MOSI (主機出

，從機入)，DOUT/SDO數據線為MISO (主機入，從機出)，CS線為SS (從機選擇)。為了敘述的清晰
，我們基於從機說明3線接口的數據線。DIN是從機的數據輸入線
，DOUT是從機的數據讀出線。本文采用低電平有效CS
、SCLK
、DIN和DOUT來定義3線接口中的各條線，Maxim外設使用了這些引腳名稱。

 

大多數的SPI接口有兩位配置位
，時鍾極性(CPOL)和時鍾相位(CPHA)用於設定從機何時采集數據。CPOL決定SCLK為高時總線空閑(CPOL = 1)還是SCLK為低時總線空閑(CPOL = 0)。CPHA決定在SCLK的哪一個邊沿將數據移入、移出。當CPOL = 0時，將CPHA設為0
，表示在SCLK的上升沿將數據移入從機；將CPHA設為1，表示在SCLK的下降沿將數據移入從機。CPOL和CPHA的兩個狀態允許四種時鍾極性和相位的不同組合。每一種都與其它三種不兼容。為了實現主、從機間的通訊，主、從機的CPOL和CPHA必須有相同的設置。

 

在SPI接口的大多數應用中

，SPI接口一次傳送8位數據(一個字節)
，有一些微處理器一次傳送兩個或多個字節。例如，MAXQ2000微處理器可一次傳送8位或16位數據。當CPOL = 0
、CPHA = 0

，低電平有效CS由高跳變為低，開始一個主機到從機的傳輸過程。在SCLK信號高低變化的八個周期內
，低電平有效CS信號必須保持為低。DIN數據鎖定在SCLK信號的上升沿。在同樣的8位周期內，DOUT線上的從機輸出數據在SCLK的每個下降沿有效。圖2a給出了CPHA = 1時的詳細時序；圖2b給出了CPHA = 0時的詳細時序。

 

圖2a. 3線接口時序(CPHA = 1)，CPHA = 1、CPOL = 1時
，3線接口在時鍾的上升沿將數據移入外設
，在時鍾的下降沿將數據移出外設。

 

圖2b. 3線接口時序(CPHA = 0)
，CHPA = 0、CPOL = 1時，3線接口在時鍾的下降沿將數據移入外設
，在時鍾的上升沿將數據移出外設。

 

因為總線上的每一個IC需要專屬的片選線

，所以低電平有效CS被用做每個從機的使能信號。如果一條總線上有四個從機，則需要四條片選線。如果從機的低電平有效CS為高電平(禁止)，該從機就忽略SCLK線上的數據
，將DOUT置為高阻。

 

部分3線接口設備可以鏈接成菊鏈的方式，而不需要為每個從機提供低電平有效的CS線，菊鏈方式能夠用一條低電平有效的CS線和一條數據線控製多個串聯從機。在菊鏈結構中3線接口必須包含DOUT線
，如圖1所示，從機#1的DOUT連接到從機#2的DIN，如此反複。

 

SPI標準中沒有定義最大數據速率。外部設備定義了自己的最大數據速率，通常為MHz量級。微處理器可以適應很寬範圍的SPI數據速率。在利用SPI接口進行通訊時

，從機無法降低主機的數據速率或確定一個適當的速率。

 

QSPI標準和SPI標準非常相似。事實上，外設無法區分QSPI總線和SPI總線。與SPI標準中的主機不同，QSPI中的主機允許數據通過可編程的片選線傳輸數據。QSPI的主機甚至可以傳送長度在8位和16位之間的數據
，而SPI的主機隻可以傳送8位的數據。可以配置QSPI的設備去連續傳送長度超過16字節的數據(最大為256位)。這種傳輸完全由QSPI設備的配置來實現，不需要MCU的操作。與SPI接口相似
，QSPI接口也沒有規定最大數據速率。

 

由National Semiconductor公司製定的老的MICROWIRE標準和SPI標準非常相似。不同的是MICROWIRE標準的時鍾極性和時鍾相位是固定的(CPOL = 0和CPHA = 0)。DIN的數據讀取總是鎖定在SCLK的上升沿。DOUT的數據輸出總是在SCLK的下降沿。MICROWIRE標準沒有規定最大數據速率。

 

 

不同於全雙工的3線製接口，由Philips製定的I²C接口通過一條數據線(SDA)和一條時鍾線(SCL)實現半雙工通信。I²C接口定義了一個簡單的主/從雙向通信接口。在這個體係中，MCU決定自己為主機(寫模式)或為從機(接收模式)。每個從機具備專有
、唯一的地址
，使主機可以和多個從機通過一條總線進行通信，而不需要為每一個從機提供單獨的片選線。如圖3所示，從機的數目隻受限於最大線上電容(400pF)，I²C接口的機製基於7位或10位地址

，7位的地址更為常見。在7位地址的機製中，總線上可以接127個不同的外設。SCL和SDA線為漏極開路結構，所以閑置時必須為高。當電源電壓為3V時，連接一個1kΩ或更大阻值的上拉電阻；當電源電壓為5V時，連接一個1.6kΩ或更大阻值的上拉電阻。

 

圖3. 利用數據輸入/輸出和時鍾信號進行通信的2線接口。

 

當SCL為高，SDA從高變為低
，即發出了一個開始命令，啟動I²C通信。圖4a所示
，每個SCL時鍾傳輸一個數據位
，傳輸一個字節至少需要9個數據位。一個寫周期包括8個數據位和一個應答位(ACK)或者非應答位(NACK)。如圖4b所示
，當數據在I²C總線上傳輸時，在SLK的上升沿寫入從機，在SLK的下降沿從機輸出。在SCL時鍾周期為高電平的時間內，SDA線的數據不可以改變。一次傳輸的完成必須跟隨著一個中止或重新開始的命令，既SCL為高時
，SDA由低變為高。當總線空閑時，SDA和SCL都為高。

 

圖4a. 開始條件和停止條件，2線接口采用開始、重複開始和停止命令在主機和從機之間傳輸數據。

 

圖4b. I²C應答位
，應答數據時，2線接口將SDA拉低。

 

I²C的寫周期起始於開始命令，隨後是7位從機地址和第8位用於標識讀
、寫操作。將第8位置低，表示寫操作
；將第8位置高
，表示讀操作。主機在第8個時鍾周期後釋放總線。如果從機應答數據傳輸，則在第9個時鍾周期將SDA拉低。如果從機不應答寫命令
，則釋放SDA (該數據線通過上拉電阻置於高電平)。

 

隨後，主機寫入8位命令字節，然後是第二個ACK/NACK位。接下來
，主機寫入8位數據字節並跟隨第三個ACK/NACK位。數據字節和最後的應答位完成一個讀/寫周期
，更新外設輸出，圖5a是一個寫周期的詳細例子。

 

I²C讀周期起始於開始命令，隨後是需要寫入數據的從機地址、第8位置高，表示讀操作。在ACK/NACK之後，主機寫入命令字節訪問從機寄存器。在第二個ACK/NACK位後
，主機重新寫入從機地址。在第三個ACK/NACK位後，從機控製總線
，一次輸出8位數據到總線上。如圖5b所示，當從與上次讀操作相同的從機寄存器讀取數據時，主機隻需要在讀取從機數據之前寫入從機地址。

 

圖5. 2線接口一次傳輸8位數據
，圖5a是I²C寫周期的一個例子
；圖5b是I²C讀周期的一個例子。

 

I²C接口支持低速(大於100kHz)
、快速(大於400kHz)和高速(大於3.4MHz)三種數據速率。I²C接口的高低電平為CMOS邏輯電平(低電平為0.3x電源電壓以下

，高電平為0.7x電源電壓以上)。

 

 

Intel®製定了SMBus標準用於低速通信
，SMBus 2線接口與I²C接口非常相似。SMBus也使用一條數據線(SMBDATA)和一條時鍾線(SMBCLK)進行通信。SMBCLK和SMBDATA也需要上拉電阻，3V供電時上拉電阻大於8.5kΩ，5V供電時上拉電阻大於14kΩ。SMBus工作電壓範圍在3V和5V之間
，大於2.1V為高電平，低於0.8V為低電平。

 

I²C接口和SMBus接口的最主要區別是最高/最低時鍾速率，因為I²C總線為被動傳輸總線，不存在總線超時問題，速率可低至“靜止”。SMBus接口則存在總線超時問題。如果時鍾信號拉低之後的時間大於超時周期(最長為35ms)時
，從機複位接口，認為發生總線超時。SMBus的超時周期限製了時鍾的最小速率為19kHz。為了保證正常通信，SMBCLK的速率必須介於10kHz至100kHz之間，而I²C接口的主機或從機則可根據傳輸數據的需要將時鍾保持在低電平。

 

 

微處理器經常通過串行接口與外設通信

，當微處理器通過2線或3線接口訪問外設後，外設相應地改變其模擬或數字輸出。例如，指使外設設置電池的充電的電流和電壓
、用溫度傳感器控製風扇
、設置數模轉換器的模擬輸出等。

 

如圖6所示，通過2線接口連接微處理器和8位數/模轉換器(MAX5115)。因為這個DAC有四個地址選擇引腳
，可以產生16個唯一的從機地址，因此可以在總線上並聯16個DAC

，因為MAX6641有不同的從機地址，同樣的2線接口也可以設置SMBus溫度傳感器/風扇控製器(MAX6641)，風扇控製器控製MOSFET的柵極，使其打開或關閉風扇。

 

圖6. 由於微控製器采用的是I²C接口
，與外設通信時，如DAC
、溫度傳感器，總線隻需要兩條連線。 

 

3線接口需要單獨的片選線實現微處理器與多個並行從機之間的通信，更簡單的2線接口用一條時鍾線和一條數據線與總線上的每個設備通信。可以通過設定不同的從機地址在總線上掛接多個IC。大多數I²C接jie口kou外wai設she具ju備bei地di址zhi選xuan擇ze引yin腳jiao，以yi實shi現xian從cong機ji地di址zhi的de配pei置zhi。外wai設she可ke以yi使shi用yong的de從cong地di址zhi數shu等deng於yu地di址zhi選xuan擇ze引yin腳jiao數shu的de平ping方fang。例li如ru，若ruo外wai有you兩liang個ge地di址zhi選xuan擇ze引yin腳jiao，它ta就jiu可ke以yi配pei置zhi四si個ge不bu同tong的de地di址zhi。

 

新一代設計以更少的地址選擇引腳提供更多的從地址。MAX7319是輸入/輸出擴展芯片
，可以從兩個地址選擇引腳(AD2和AD0)擴展出16個從地址。這些引腳可以接GND、電源(VCC)、SDA或SCL。表2列出了這16個從地址的詳細信息，A6、A5、A4固定為110，A3至A0可以通過AD2、AD0設置。 

 

表2. MAX7319僅利用2個地址線(AD2和AD0)即可編譯出16個不同地址

 

 

3線接口和2線接口有幾點不同的要求
，每種接口都有其特殊優勢。近期內不可能用一種接口標準完全取代另一接口標準。具備I²C接口的器件發展較快

，並開始融合一些SMBus接口的特點，支持諸如超時複位等功能，使接口可以根據需要關斷。新的I²C從機地址長達10位
，而不僅僅是7位

，這給用戶帶來更多的靈活性。

 

3線接口和2線接口將並存，但I²C接口似乎占有更大的市場份額，大部分微處理器支持2線接口。I²C接口的易用性及更少的連線使其增長量超過了SPI接口。

 

本文來源於Maxim。