【導讀】大多數基于微控制器的設計都使用I2C或SPI，或兩者兼用，來(lái)實(shí)現控制器之間以及控制器與外圍芯片之間的通信。當芯片發(fā)送特定的I2C或SPI數據包時(shí)，能夠看到嵌入式系統內部的操作對于排除故障至關(guān)重要。許多管理相對較慢參數的芯片，如溫度傳感器、電機控制器、人機界面或電源管理等，都將這些總線(xiàn)作為與系統其他部分通信的主要手段。其他高速芯片，如通信集成電路、時(shí)鐘和模數轉換器，通常也通過(guò)這些總線(xiàn)進(jìn)行配置。例如，在電源啟動(dòng)后排查冷卻風(fēng)扇問(wèn)題時(shí)，查看發(fā)送到風(fēng)扇控制器集成電路的SPI命令的時(shí)序和結構，以及風(fēng)扇的驅動(dòng)信號和電源，可能會(huì )有所幫助。
大多數基于微控制器的設計都使用I2C或SPI，或兩者兼用，來(lái)實(shí)現控制器之間以及控制器與外圍芯片之間的通信。當芯片發(fā)送特定的I2C或SPI數據包時(shí)，能夠看到嵌入式系統內部的操作對于排除故障至關(guān)重要。許多管理相對較慢參數的芯片，如溫度傳感器、電機控制器、人機界面或電源管理等，都將這些總線(xiàn)作為與系統其他部分通信的主要手段。其他高速芯片，如通信集成電路、時(shí)鐘和模數轉換器，通常也通過(guò)這些總線(xiàn)進(jìn)行配置。例如，在電源啟動(dòng)后排查冷卻風(fēng)扇問(wèn)題時(shí)，查看發(fā)送到風(fēng)扇控制器集成電路的SPI命令的時(shí)序和結構，以及風(fēng)扇的驅動(dòng)信號和電源，可能會(huì )有所幫助。
I2C和SPI總線(xiàn)定義明確且相對穩健，但仍然可能受到噪聲、板級布局、復位問(wèn)題以及實(shí)現上的微妙差異的影響。這些問(wèn)題有時(shí)可能導致總線(xiàn)錯誤和鎖定。配備解碼功能的示波器能夠同時(shí)顯示總線(xiàn)數據和總線(xiàn)信號的狀態(tài)。
I2C
I2C，或“Inter-IntegratedCircuit”（集成電路間通信），最初是在1980年代初由飛利浦（Philips）開(kāi)發(fā)的，旨在提供一種低成本的方式連接控制器和外圍芯片。自那以后，它已經(jīng)發(fā)展成為嵌入式系統中設備間通信的全球標準。這種簡(jiǎn)單的雙線(xiàn)設計被廣泛應用于各種芯片中，如輸入/輸出模擬/數字轉換器、數字/模擬轉換器、溫度傳感器、微控制器和微處理器，包括眾多領(lǐng)先芯片制造商的產(chǎn)品，如ADI、Atmel、Infineon、Cypress、Intel、Maxim、NXP、SiliconLabs、ST、TI等。
I2C的物理雙線(xiàn)接口由雙向串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）和數據線(xiàn)（SDA）組成。I2C支持總線(xiàn)上多個(gè)主設備和從設備，但任一時(shí)間內只能有一個(gè)主設備處于活動(dòng)狀態(tài)。任何I2C設備都可以連接到總線(xiàn)上，允許任何主設備與從設備交換信息。每個(gè)設備通過(guò)唯一的地址進(jìn)行識別。設備根據其功能可以作為發(fā)送器或接收器。支持三種比特率：100kb/s（標準模式）、400kb/s（快速模式）和3.4Mb/s（高速模式）。設備的最大數量由最大電容400pF決定，大約為20-30個(gè)設備。
有兩種方法可以對I2C地址進(jìn)行分組以進(jìn)行解碼：一種是7位加上一個(gè)讀寫(xiě)（R/W）位方案，另一種是8位（一個(gè)字節），其中R/W位作為地址的一部分。7位地址方案是固件和軟件設計工程師遵循的指定I2C標準。但許多其他工程師使用8位地址方案。Tektronix示波器可以解碼這兩種方案中的數據。
設置I2C總線(xiàn)解碼
在Tektronix示波器上，按下面板上的總線(xiàn)按鈕，可以定義輸入到示波器的信號作為一個(gè)總線(xiàn)。通過(guò)簡(jiǎn)單地定義哪些通道上有時(shí)鐘和數據，以及用于確定邏輯一和零的數字閾值，您可以使示波器理解跨總線(xiàn)傳輸的協(xié)議。
解讀I2C總線(xiàn)
時(shí)間相關(guān)的波形和總線(xiàn)解碼顯示對許多硬件工程師來(lái)說(shuō)是一個(gè)熟悉且有用的格式。解碼后的總線(xiàn)波形顯示了一個(gè)I2C消息的元素。
對于固件工程師來(lái)說(shuō)，結果表格（ResultsTable）格式可能更有用。這種帶時(shí)間戳的總線(xiàn)活動(dòng)顯示可以輕松地與軟件列表進(jìn)行比較，并且允許輕松計算執行速度。
結果表還提供了回到波形顯示的鏈接。您可以在表格顯示中點(diǎn)擊一行，示波器會(huì )自動(dòng)放大對應的總線(xiàn)信號，并在屏幕的下半部分顯示結果解碼的總線(xiàn)波形。
在I2C總線(xiàn)上觸發(fā)
在基于一個(gè)或多個(gè)串行總線(xiàn)的系統調試中，示波器的一個(gè)關(guān)鍵能力是能夠隔離并捕獲特定事件的總線(xiàn)觸發(fā)。當總線(xiàn)觸發(fā)被正確設置后，示波器將捕獲所有輸入信號，并且一個(gè)指定的總線(xiàn)事件將被定位在觸發(fā)點(diǎn)。這個(gè)例子展示了在地址0x50和數據0x00上觸發(fā)。
在I2C總線(xiàn)上搜索
在Tektronix示波器上，您可以使用自動(dòng)化的Wave Inspector搜索功能找到所有符合搜索條件的總線(xiàn)事件，并確定它們發(fā)生的次數。設置類(lèi)似于總線(xiàn)觸發(fā)設置，允許示波器找到并標記所有指定的總線(xiàn)事件。在這個(gè)例子中，自動(dòng)搜索正在尋找數據值0x16。這個(gè)數據值在獲取的波形中只出現一次，串行數據包的位置用粉紅色括號圖標顯示。
SPI
串行外設接口總線(xiàn)（SPI）最初由摩托羅拉在1980年代末為其68000系列微控制器開(kāi)發(fā)。由于該總線(xiàn)的簡(jiǎn)單性和受歡迎程度，多年來(lái)許多其他制造商也采用了這一標準。它現在被廣泛應用于嵌入式系統設計中常用的各種組件中。SPI主要用于微控制器及其直接外圍設備之間。它在手機和其他移動(dòng)設備中很常見(jiàn)，用于CPU、鍵盤(pán)、顯示屏和內存芯片之間的數據通信。
工作原理
SPI總線(xiàn)是一個(gè)主/從四線(xiàn)串行通信總線(xiàn)。這四個(gè)信號是時(shí)鐘（SCLK）、主輸出/從輸入（MOSI）、主輸入/從輸出（MISO）和從選擇（SS）。每當兩個(gè)設備通信時(shí)，一個(gè)被稱(chēng)為“主設備”，另一個(gè)被稱(chēng)為“從設備”。主設備驅動(dòng)串行時(shí)鐘。數據的發(fā)送和接收是同時(shí)進(jìn)行的，使其成為一個(gè)全雙工協(xié)議。
與在總線(xiàn)上的每個(gè)設備擁有唯一地址不同，SPI使用SS線(xiàn)來(lái)指定數據是傳輸給哪個(gè)設備或來(lái)自哪個(gè)設備。因此，總線(xiàn)上的每個(gè)獨特設備都需要從主設備獲得自己的SS信號。如果有3個(gè)從設備，就有3個(gè)SS信號從主設備到每個(gè)從設備。
SPI也可以用從設備級聯(lián)的方式接線(xiàn)，每個(gè)從設備依次執行操作，然后將結果發(fā)送回主設備（這可以用來(lái)驗證數據路徑的完整性）。
在某些情況下，如果從設備到主設備的通信不是必需的，MISO信號可能會(huì )被完全省略。在其他情況下，只有一個(gè)主設備和一個(gè)從設備，SS信號被接地。這通常被稱(chēng)為2線(xiàn)SPI。
當發(fā)生SPI數據傳輸時(shí)，一個(gè)8位數據字在MOSI上移出，同時(shí)在MISO上移入另一個(gè)8位數據字。這可以被視為一個(gè)16位的循環(huán)移位寄存器。當傳輸發(fā)生時(shí)，這個(gè)16位移位寄存器移動(dòng)8個(gè)位置，因此交換了主從設備之間的8位數據。一對寄存器，時(shí)鐘極性（CPOL）和時(shí)鐘相位（CPHA），決定了數據在哪個(gè)時(shí)鐘邊沿上被驅動(dòng)。每個(gè)寄存器有兩個(gè)可能的狀態(tài)，這允許四種可能的組合，所有這些組合彼此不兼容。因此，主/從設備對必須使用相同的參數值進(jìn)行通信。如果使用了不同配置的多個(gè)從設備，主設備每次需要與不同的從設備通信時(shí)都必須重新配置自己。
設置SPI總線(xiàn)解碼
在這個(gè)例子中，SPI信號通過(guò)示波器上的模擬通道（通道1、通道2和通道3）上的無(wú)源探頭被捕獲。數字通道也可以用于總線(xiàn)解碼。使用總線(xiàn)配置菜單，您可以通過(guò)指定連接到時(shí)鐘、數據和從選擇信號的通道、閾值、極性和字大小來(lái)定義SPI總線(xiàn)。
解讀SPI總線(xiàn)
通過(guò)將顯示模式設置為“總線(xiàn)和波形”，可以快速驗證每個(gè)輸入信號的數字解釋?zhuān)M信號與相應閾值電壓的比較）。這些數字信號（綠色表示高電平，藍色表示低電平）然后根據SPI協(xié)議進(jìn)行解釋。當正確設置時(shí)，示波器可以顯示解碼結果。
通過(guò)對SPI總線(xiàn)上的通信事件進(jìn)行解碼，可以輕松識別數據傳輸的開(kāi)始和結束，以及傳輸的具體數據內容。這對于調試SPI通信、驗證數據完整性及識別潛在的通信問(wèn)題至關(guān)重要。
考慮一個(gè)使用級聯(lián)SPI架構的示例系統。這個(gè)子系統控制一個(gè)電壓控制振蕩器（VCO），為系統的其余部分提供射頻時(shí)鐘。VCO通過(guò)主CPU寫(xiě)入六個(gè)24位字來(lái)初始化。信號似乎滿(mǎn)足SPI的電氣規范，但VCO沒(méi)有產(chǎn)生正確的頻率。
結果表視圖可以用來(lái)檢查VCO的初始化。示波器可以設置為在SPI從選擇信號變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)時(shí)觸發(fā)。當系統上電時(shí)，示波器將捕獲并顯示初始化序列。
在SPI總線(xiàn)上觸發(fā)
在上面的例子中，我們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的SS活動(dòng)觸發(fā)。Tektronix示波器中的完整SPI觸發(fā)能力包括以下類(lèi)型：
這些觸發(fā)器允許您隔離并捕獲您感興趣的特定總線(xiàn)流量，而解碼功能使您能夠立即看到傳輸過(guò)總線(xiàn)的每條消息的內容。
在SPI總線(xiàn)上搜索
為了找到符合特定搜索條件的所有總線(xiàn)事件，可以使用自動(dòng)化的Wave Inspector搜索功能。設置類(lèi)似于總線(xiàn)觸發(fā)設置，并將找到并標記所有指定的總線(xiàn)事件。在這個(gè)例子中，自動(dòng)搜索正在尋找24位數據值0x00002X。這個(gè)數據值在獲取的波形中出現了23次。前面板的導航箭頭按鈕可以輕松在標記的事件之間導航。顯示底部附近的粉紅色括號圖標顯示了指定的一個(gè)串行數據包的位置。
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