SPI与I2C：如何為(wèi)您的存储芯片选择最佳协议

2022-08-15

SPI与I2C：如何為(wèi)您的存储芯片选择最佳协议

SPI和I2C可(kě)能(néng)是最常用(yòng)的数字协议，用(yòng)于连接各种产品中的集成電(diàn)路。SPI和I2C都是易于使用(yòng)、难以破解的串行数字协议，从信号完整性的角度来看，它们很(hěn)容易路由。与阻抗控制的高速差分(fēn)串行协议不同，这两种协议没有(yǒu)阻抗规范，通常被认為(wèi)是電(diàn)气短路的。这意味着，在PCB上，设计要求相对简单，并且在标准中仍有(yǒu)一些自由度可(kě)以根据需要调整性能(néng)。

PCB布局中SPI和I2C的常见实现之一是作為(wèi)用(yòng)于读取和写入外部闪存的协议。闪存芯片是嵌入式系统中非常常见的组件，可(kě)以提供高达Gb值的高容量非易失性存储器。选择内存芯片时，您需要将应用(yòng)程序要求和功能(néng)与内存芯片中读写操作所需的总線(xiàn)速度相匹配。还有(yǒu)您需要访问的闪存类型的问题（NOR与NAND）。

SPI和I2C比较

串行外设接口(SPI)和内部集成電(diàn)路(I2C)协议都是以低速到中速运行的简单串行数字协议。这两个接口有(yǒu)一些共同的特点：

他(tā)们使用(yòng)不止一根線(xiàn)来发送/接收数据

时钟是源同步的，这意味着只有(yǒu)一条走線(xiàn)承载时钟線(xiàn)

总線(xiàn)上的其他(tā)芯片是可(kě)寻址或可(kě)切换的

大多(duō)数微控制器将集成其中一个或两个接口

信号電(diàn)平可(kě)以通过给芯片的核心電(diàn)压来设置

这些接口都没有(yǒu)阻抗要求

显然，这些接口非常相似。它们确实有(yǒu)一些重要的區(qū)别，如下表所示。

 

与I2C相比，SPI标准提供更高的数据速率并且可(kě)以以更快的边沿速率运行。由于在I2C上使用(yòng)上拉電(diàn)阻、通常较高的总線(xiàn)電(diàn)容以及驱动方法是开漏极的事实，I2C总線(xiàn)的上升时间可(kě)以达到100纳秒(miǎo)。对于驱动低负载電(diàn)容的高级组件，SPI总線(xiàn)的上升时间可(kě)以低至1 ns ，这意味着它们在切换期间可(kě)能(néng)会出现瞬态振铃。SPI線(xiàn)路也更容易产生串扰，因為(wèi)它们的开关速度非常快。要了解有(yǒu)关SPI总線(xiàn)中这两种协议和信号完整性的更多(duō)信息，请阅读以下资源。

為(wèi)存储芯片选择SPI和I2C时的重要考虑因素

访问NAND与NOR闪存

在本节中，我不想深入讨论NAND与NOR闪存的细节，而是想关注如何使用(yòng)串行协议访问它们。如果您可(kě)以采購(gòu)正确的内存组件，则可(kě)以使用(yòng)SPI或I2C总線(xiàn)访问这两种类型的闪存芯片：

NOR闪存 -绝大多(duō)数使用(yòng)SPI访问，即使在更小(xiǎo)和更慢的闪存芯片上也是如此。可(kě)以使用(yòng)I2C访问速度较慢的芯片。

NAND闪存 -绝大多(duō)数使用(yòng)并行总線(xiàn)访问，但具有(yǒu)I2C和SPI总線(xiàn)的芯片数量大致相等。

如果您查看Octopart并使用(yòng)过滤器功能(néng)，您将能(néng)够找到一些使用(yòng)任一接口的高容量存储器。

用(yòng)于存储器的I2C到SPI接口桥接

如果需要在I2C和SPI接口之间进行转换，可(kě)以使用(yòng)接口桥接器。这些组件在这些接口之间转换数据格式，因此可(kě)能(néng)只有(yǒu)SPI总線(xiàn)的组件可(kě)以访问只有(yǒu)I2C总線(xiàn)的外围组件。这包括内存芯片，但如果控制器仅使用(yòng)I2C并且内存使用(yòng)SPI，则速度可(kě)能(néng)会受到限制，并且接收组件可(kě)能(néng)由于上升时间長(cháng)而无法工作。

要克服I2C的这一限制，最好使用(yòng)带SPI的控制器，然后使用(yòng)接口桥访问只有(yǒu)I2C的外设。请注意，SPI端的时钟必须更低，以确保它可(kě)以在I2C速度下使用(yòng)。这将在以下拓扑中完成：

需要SPI到I2C接口桥接器的首选配置。

電(diàn)平转换

开漏和推挽串行协议（其中信号電(diàn)平由内核電(diàn)压设置）中的另一个常见要求是電(diàn)平转换。构建PCB的最简单方法是使用(yòng)调节到所需核心電(diàn)压的单个電(diàn)源，例如使用(yòng)LDO。实际上，您可(kě)能(néng)有(yǒu)一些外围设备在较高電(diàn)压下运行（例如3.3 V），而主控制器在较低電(diàn)压下运行多(duō)个轨（2.5 V、1.8 V等）。如果您的MCU以3V3运行，但您的内存以 1V8运行（这是一种常见情况），那么您将需要通过電(diàn)平转换器路由SPI或I2C信号。请注意，一些接口桥将包括一个電(diàn)平转换器，连接到两个電(diàn)源轨；拓扑如下图所示。

用(yòng)于電(diàn)平转换的拓扑。

一旦您為(wèi)您的设计找到了组件，您如何在SPI与I2C接口之间做出选择？以下几点将推动您做出决定：

速度：当您批量传输数据或有(yǒu)一个狭窄的窗口来验证用(yòng)户输入与存储在内存芯片中的数据时，每一微秒(miǎo)都很(hěn)重要。如果系统的其余部分(fēn)需要实时重复读写功能(néng)，请使用(yòng)SPI。如果控制器只需要偶尔从内存读取或写入，则使用(yòng)I2C。

控制器：如果您使用(yòng)的是非常小(xiǎo)的MCU或外围设备，并且可(kě)用(yòng)的引脚很(hěn)少，那么您应该使用(yòng)I2C。事实上，对于某些微控制器，您可(kě)能(néng)别无选择。例如，经典的ATTiny MCU 只有(yǒu)I2C，因此如果它们需要来自外部存储器的数据，则必须找到支持I2C的存储芯片。

電(diàn)源：如果您正在设计需要重复访问数据的電(diàn)池供電(diàn)设备，您可(kě)能(néng)会选择SPI，因為(wèi)该接口的平均功耗低于I2C接口。