嵌入式系统设计的多种串行总线特性及比较

MOSI:主出/从入

MISO:主入/从出

SCK:串行时钟

SS:从属选择

芯片上“从属选择”(slave-select)的引脚数决定了可连到总线上的器件数量。

　　在SPI传输中，数据是同步进行发送和接收的。数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲，摩托罗拉没有定义任何通用SPI的时钟规范。然而，最常用的时钟设置基于时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数，CPOL定义SPI串行时钟的活动状态，而CPHA定义相对于SO-数据位的时钟相位。CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。

b. 数据方向和通信速度

　　SPI传输串行数据时首先传输最高位。波特率可以高达5Mbps，具体速度大小取决于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件传输速度能达到5MHz。

c. SPI与UART比较

　　SPI通信快于UART通信，两者都可以用在中等速度外设的通信中，例如非易失性EEPROM存储器。然而，SPI更常用于EEPROM或数模变换器的通信中。

有些UART能支持SPI通信，在这种情况下，会用一个通用IO作为从属选择引脚。

3. I2C总线

　　I2C是由飞利浦公司开发的双线同步总线。像SPI一样，该总线可用来与EEPROM、ADC、DAC和LCD这类慢速器件进行通信。

a. I2C通信

　　I2C是一个半双工、多主总线，该总线网络有一个或几个主控器件和很多个从器件。信息由两条串行线传输：串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)。图1显示了使用两个主控和三个从器件相连接的例子。

　　网络中的每一个器件都预指定一个7位或10位的地址。飞利浦会给器件制造商分配地址，也有一个特定的地址用于高速通信，以及一个通用呼叫地址用于与网络中所有器件的通信。10位寻址的优点是允许更多的器件(高达1024个)布置在网络中。然而，总线中器件的数目取决于总线的电容量，必须限制在400pF以内。

　　主控器件发起数据传送，并提供用于通信的时钟信号。通信开始于SCL为高电平时SDA由高到低的转换，紧接着是一个7位或10位的从地址，一个数据方向位(R/W)，一个应答位和停止状态。停止状态定义为在时钟信号为高时数据线电平由低到高的转换。每一个数据字节长度为8位，单次传送的字节数并没有限制。

　　由于I2C是一个多主总线，因此可能有两个或更多的主控器件同时试图访问总线，在时钟信号为高电平时在总线上置“1”的主控器件赢得总线仲裁。

　　I2C有三种不同的运行模式：标准、快速和高速模式。在使用快速和高速模式时，可能某个从属器件不能像主控器件那么快地处理数据。此时，从属器件会将SCL线拉至低电平来保持总线，这迫使主控器件进入等待状态，直至从属器件准备就绪。

b. 数据方向和通信速度

数据传输首先从最高位开始。I2C总线设计用于三种数据传输速度，每个都向下兼容性：

低速，数据传输率为0到100kbps；

快速，数据传输率可以高达400kbps；

高速，数据传输率可以高达3.4Mbps。

c. I2C与SPI比较

　　I2C和SPI都能用于低速器件的通信,而SPI的数据传输速率高于I2C。此外，SPI具有一个内在地址功能，不需要设计一个额外的寄存器来测试地址，从而减少软件和硬件的设计开销。

4. 控制器区域网络

　　控制器区域网络(CAN)是一个多主异步串行总线。由于它具有优良的错误处理机制及可靠的数据传送性能，该总线在汽车工业中非常普遍，在高安全系数要求的医疗行业中也正在得到普及。

　　CAN最初由德国的Robert Bosch公司开发，提供给汽车电子系统所用的低成本通信总线，现在已经成为国际标准，被采用为高速应用的ISO11898标准和用于低速应用的ISO11519标准。

a. CAN通信

　　当总线空闲时，任何CAN节点都可以开始数据发送。如果两个或更多的节点同时开始发送，就使用标识符来进行按位仲裁以解决访问冲突。CAN是一个广播类型的总线，所有节点都接收总线上的数据，硬件上的过滤机制决定消息是否提供给该接点用。

b. 四种消息帧的类型

数据帧：该帧从一个发送器承载数据到一个接收器。根据CAN规范有两种数据帧格式，它们的唯一本质区别在于标识符的长度：CAN标准帧，也称为CAN2.0A，支持11位长度的标识符；另一个是CAN扩展帧，也称为CAN2.0B，支持29位长度的标识符。图2显示了两种规范的CAN数据帧。

远程帧：此帧由一个接收CAN节点发送，用来请求带有远程帧中规定的标识符的数据帧。

错误帧：此帧将任何总线错误通知其它单元，在接收到这个帧时发送器会自动进行消息重发。

超载帧：超载帧由一个忙的CAN节点送出，以请求在前后数据帧之间增加一个额外的延迟。

c. CAN硬件术语

　　基本CAN(Basic CAN)控制器：这是一种廉价的CAN控制器，具有有限的发送/接收消息缓冲器，以及有限的CAN消息过滤机制。

完全CAN(Full CAN)控制器：完全