I2C（smbus、pmbus）和SPI协议分析

最新推荐文章于 2025-07-01 13:34:51 发布
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分类专栏： STM32
本文详细介绍了I2C和SPI两种常用低速外部总线的技术特点及应用场景，对比了它们之间的主要区别，包括数据传输方式、时序控制等，并探讨了SMBUS和PMBUS等基于I2C的扩展协议。

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I2C和SPI作为两种非常常用的低速外部总线，已经不是什么新新技术了。 
有些知识点，明白了，一段时间不用了，又忘记了。所以决定乘最近正好碰过这两个东西，还是写下来以备后患。

I2C

I2C是以前的飞利浦半导体制定的标准，也就是如今的NXP。

I2C总线由一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）组成。设备分主从，主设备提供时钟，并发起操作。 
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看一下这张I2C协议必须和可选的功能表。最简单的模式的话，只需要实现4个功能，start、stop、ack、7bit address。 
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当scl为高时，sda下拉表示start。当scl为低时，sda上拉表示stop。 
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根据下面这个图，我们来讨论这4个基本功能。

  • master控制sda、scl：发起一个start标记
  • master控制sda、scl：start之后的1-7位表示的是slave设备的7bit address
  • master控制sda、scl：第8位表示是读（1）还是写（0）操作，所以我们其实可以把7bit address和这1bit读写位结合起来当成一个byte。
  • master控制scl，slave控制sda：slave强制拉低sda来表示第9位为ack

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分析好了这第一个byte的内容，就可以继续后面更复杂的了。这个时序一共进行了2个byte的写操作。 
- master控制sda、scl：start 
- master控制sda、scl：7位地址 
- master控制sda、scl：1位写 
- master控制scl，slave控制sda：slave ack 
- master控制sda、scl：1字节数据 
- master控制scl，slave控制sda：slave ack 
- master控制sda、scl：1字节数据 
- master控制scl，slave控制sda：slave ack 
- master控制sda、scl：stop 
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再看个读操作的 
- master控制sda、scl：start 
- master控制sda、scl：7位地址 
- master控制sda、scl：1位读 
- master控制scl，slave控制sda：slave ack 
- master控制scl，slave控制sda：1字节数据 
- master控制sda、scl：master ack 
- master控制scl，slave控制sda：1字节数据 
- master控制sda、scl：master ack 
- master控制sda、scl：stop 
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纯粹的读和纯粹的写我们都会了，下面就要读写混合了。最常见的场景就是通过I2C从设备那读取某个寄存器的值。 
- master控制sda、scl：start 
- master控制sda、scl：7位地址 
- master控制sda、scl：1位写 
- master控制scl，slave控制sda：slave ack 
- master控制sda、scl：1字节数据 
- master控制scl，slave控制sda：slave ack 
- master控制sda、scl：start 
- master控制sda、scl：7位地址 
- master控制sda、scl：1位读 
- master控制scl，slave控制sda：slave ack 
- master控制scl，slave控制sda：1字节数据 
- master控制sda、scl：master ack 
- master控制sda、scl：stop 
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基本功能的I2C介绍就这些了，但是刚才说到I2C还有许多的可选功能，譬如clock stretching功能，这次就遇到一个bug和这个功能有关。

我们再来看看刚才看过的这个图，在第一个byte传输完之后的一段时间内，scl为低。为什么会出现这种情况那？其实不一定是在第一个字节之后，也可能是master要从slave那读取某个寄存器的值，第一个字节的slave address发过去了，然后第二个字节的寄存器地址又发过去了，后面就该slave来返回一个byte的数据了。但是可能这个数据并不是那么简单的得到的，slave可能会先进入中断，然后做一些计算才能得到要返回的值，而这个计算又比较耗时。那slave可以强制拉低scl来表示现在我在忙，要等我做完事情了才可以继续返回数据。假如slave有这种功能，而master又不支持，那就完蛋了，数据全乱了。幸好，我们的master是CPLD的，通过修改支持了这个功能，操作就正常了。 
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SMBUS

SMBUS是一种基于I2C而扩展出来的协议。有一些更为复杂的操作，但是原理都还是基于I2C的。 
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PMBUS

PMBUS是基于SMBUS，定义了很多和电源管理相关的命令。在物理传输上，和SMBUS是完全一致的。

SPI

SPI有四根线，一根时钟，一根收数据，一根发数据，一根片选。当有多个设备时，他就需要多根片选，所以相比I2C而言，布线更为复杂。 
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SPI只规定了如何收发数据，但是数据的具体格式含义并没有定义。譬如在I2C中跟在7位地址后面的1位表示读写，所有设备都需要遵循。但是SPI不是这样，每个slave都有自己定义的数据格式，各不相同。我们先看看下面这个例子。master发送的第一个字节里01表示写，而05表示读。根据第一个字节的不同，slave会做出不一样的响应。 
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而我还见过一种是slave规定，master发给slave的前两个字节代表寄存器的地址，但是0-15位的第15位不当地址来用，而当读写位来用，但是我找不到这个例子的时序图了。我举这个例子是想说明SPI传输数据必须要根据slave设备的timing来，不可想当然。

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