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SPI與I2C：如何為您的存儲芯片選擇最佳協(xié)議
SPI與I2C：如何為您的存儲芯片選擇最佳協(xié)議
SPI和I2C可能是最常用的數(shù)字協(xié)議，用于連接各種產(chǎn)品中的集成電路。SPI和I2C都是易于使用、難以破解的串行數(shù)字協(xié)議，從信號完整性的角度來看，它們很容易路由。與阻抗控制的高速差分串行協(xié)議不同，這兩種協(xié)議沒有阻抗規(guī)范，通常被認為是電氣短路的。這意味著，在PCB上，設(shè)計要求相對簡單，并且在標(biāo)準(zhǔn)中仍有一些自由度可以根據(jù)需要調(diào)整性能。
PCB布局中SPI和I2C的常見實現(xiàn)之一是作為用于讀取和寫入外部閃存的協(xié)議。閃存芯片是嵌入式系統(tǒng)中非常常見的組件，可以提供高達Gb值的高容量非易失性存儲器。選擇內(nèi)存芯片時，您需要將應(yīng)用程序要求和功能與內(nèi)存芯片中讀寫操作所需的總線速度相匹配。還有您需要訪問的閃存類型的問題（NOR與NAND）。
SPI和I2C比較
串行外設(shè)接口(SPI)和內(nèi)部集成電路(I2C)協(xié)議都是以低速到中速運行的簡單串行數(shù)字協(xié)議。這兩個接口有一些共同的特點：
他們使用不止一根線來發(fā)送/接收數(shù)據(jù)
時鐘是源同步的，這意味著只有一條走線承載時鐘線
總線上的其他芯片是可尋址或可切換的
大多數(shù)微控制器將集成其中一個或兩個接口
信號電平可以通過給芯片的核心電壓來設(shè)置
這些接口都沒有阻抗要求
顯然，這些接口非常相似。它們確實有一些重要的區(qū)別，如下表所示。
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I2C |
SPI |
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網(wǎng)名 |
- 串行數(shù)據(jù)(SDA) - 串行時鐘(SCL) |
- 主輸入，從輸出（MISO） - 主輸出，從輸入（MOSI） - 串行時鐘（SCK或SCLK） - 片選（CS，可選） |
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拓撲 |
- 廣播總線拓撲 |
- 共享味噌/MOSI/SCK - CS引腳的星號 |
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數(shù)據(jù)速率 |
- 標(biāo)準(zhǔn)模式：高達100 kbps - 快速模式：高達400 kbps - 快速模式加：高達1 Mbps - 高速模式：高達3.4 Mpbs |
- 由時鐘窗口時間固定，最高可達60Mbps |
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上升/下降時間 |
- 取決于總線電容和上拉電阻值（使用RC時間常數(shù)） |
- 指定給定負載阻抗 |
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尋址 |
- 固定在每個組件上的地址引腳 |
- 主控制器中用于切換芯片的CS引腳（可通過GPIO或?qū)Ｓ?span>CS引腳切換） |
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方向性 |
- 半雙工 |
- 全雙工 |
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信號驅(qū)動 |
- 開漏 |
- 推挽式（帶CMOS緩沖器） |
與I2C相比，SPI標(biāo)準(zhǔn)提供更高的數(shù)據(jù)速率并且可以以更快的邊沿速率運行。由于在I2C上使用上拉電阻、通常較高的總線電容以及驅(qū)動方法是開漏極的事實，I2C總線的上升時間可以達到100納秒。對于驅(qū)動低負載電容的高級組件，SPI總線的上升時間可以低至1 ns ，這意味著它們在切換期間可能會出現(xiàn)瞬態(tài)振鈴。SPI線路也更容易產(chǎn)生串?dāng)_，因為它們的開關(guān)速度非常快。要了解有關(guān)SPI總線中這兩種協(xié)議和信號完整性的更多信息，請閱讀以下資源。
為存儲芯片選擇SPI和I2C時的重要考慮因素
訪問NAND與NOR閃存
在本節(jié)中，我不想深入討論NAND與NOR閃存的細節(jié)，而是想關(guān)注如何使用串行協(xié)議訪問它們。如果您可以采購正確的內(nèi)存組件，則可以使用SPI或I2C總線訪問這兩種類型的閃存芯片：
NOR閃存 -絕大多數(shù)使用SPI訪問，即使在更小和更慢的閃存芯片上也是如此。可以使用I2C訪問速度較慢的芯片。
NAND閃存 -絕大多數(shù)使用并行總線訪問，但具有I2C和SPI總線的芯片數(shù)量大致相等。
如果您查看Octopart并使用過濾器功能，您將能夠找到一些使用任一接口的高容量存儲器。
用于存儲器的I2C到SPI接口橋接
如果需要在I2C和SPI接口之間進行轉(zhuǎn)換，可以使用接口橋接器。這些組件在這些接口之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，因此可能只有SPI總線的組件可以訪問只有I2C總線的外圍組件。這包括內(nèi)存芯片，但如果控制器僅使用I2C并且內(nèi)存使用SPI，則速度可能會受到限制，并且接收組件可能由于上升時間長而無法工作。
要克服I2C的這一限制，最好使用帶SPI的控制器，然后使用接口橋訪問只有I2C的外設(shè)。請注意，SPI端的時鐘必須更低，以確保它可以在I2C速度下使用。這將在以下拓撲中完成：
需要SPI到I2C接口橋接器的首選配置。
電平轉(zhuǎn)換
開漏和推挽串行協(xié)議（其中信號電平由內(nèi)核電壓設(shè)置）中的另一個常見要求是電平轉(zhuǎn)換。構(gòu)建PCB的最簡單方法是使用調(diào)節(jié)到所需核心電壓的單個電源，例如使用LDO。實際上，您可能有一些外圍設(shè)備在較高電壓下運行（例如3.3 V），而主控制器在較低電壓下運行多個軌（2.5 V、1.8 V等）。如果您的MCU以3V3運行，但您的內(nèi)存以 1V8運行（這是一種常見情況），那么您將需要通過電平轉(zhuǎn)換器路由SPI或I2C信號。請注意，一些接口橋?qū)ㄒ粋€電平轉(zhuǎn)換器，連接到兩個電源軌；拓撲如下圖所示。
用于電平轉(zhuǎn)換的拓撲。
一旦您為您的設(shè)計找到了組件，您如何在SPI與I2C接口之間做出選擇？以下幾點將推動您做出決定：
速度：當(dāng)您批量傳輸數(shù)據(jù)或有一個狹窄的窗口來驗證用戶輸入與存儲在內(nèi)存芯片中的數(shù)據(jù)時，每一微秒都很重要。如果系統(tǒng)的其余部分需要實時重復(fù)讀寫功能，請使用SPI。如果控制器只需要偶爾從內(nèi)存讀取或?qū)懭耄瑒t使用I2C。
控制器：如果您使用的是非常小的MCU或外圍設(shè)備，并且可用的引腳很少，那么您應(yīng)該使用I2C。事實上，對于某些微控制器，您可能別無選擇。例如，經(jīng)典的ATTiny MCU 只有I2C，因此如果它們需要來自外部存儲器的數(shù)據(jù)，則必須找到支持I2C的存儲芯片。
電源：如果您正在設(shè)計需要重復(fù)訪問數(shù)據(jù)的電池供電設(shè)備，您可能會選擇SPI，因為該接口的平均功耗低于I2C接口。