I2C、SPI、CAN、PCIe 对比

唯一标识

在社会上，靠身份证号，来唯一标识一个人。
在计算机的世界里，通过什么来唯一标识一个外设呢？方案还不止一种

• I2C
  • 使用地址（7 或 10 位）来唯一标识一个外设
• SPI
  • 使用 CS 引脚来唯一确定通信的外设
• CAN
  • 不对设备进行唯一标识，而是对报文进行唯一标识，设备处理自己感兴趣的报文 ID（11 位或 29 位）就行了
• PCI
  • 则是对功能进行唯一标识，通过 BDF（Bus，Device，Function） 来唯一确定目标功能的位置。

通信手段

• I2C

  • 两根线
    • SCL：时钟线，时钟都是由 master 提供
    • SDA：双向数据线，发送数据或者接收数据（收发不能同时）
  • 起始信号、地址字节和读写命令、应答信号、停止信号
  • 特殊情况，当 master 决定不再接收数据时，应向 slave 发送 NACK 信号

• SPI

  • 四根线
    • SCLK：时钟线，时钟都是由 master 提供
    • MOSI：Master 输出，Slave 输入，由 Master 向 Slave 发送数据
    • MISO：Master 输入，Slave 输出，由 Slave 向 Master 发送数据
    • CS：Chip Select，片选信号，Master 通过拉低 Slave 的片选信号选择 Slave

• CAN

  • 两根线
    • CAN_H
    • CAN_L
  • CAN_H = CAN_L = 2.5V，隐性电平，逻辑 1
  • CAN_H = 3.5V，CAN_L = 1.5V，显性电平，逻辑 0

• PCIe

  • x1：1 个 lane
  • x4：4 个 lane
  • …
  • x32：32 个 lane
  • 1 个 lane
    • 两对差分信号线（4 根线），一对用来发，一对用来收
      
  • 差分时钟（两根线）
  • 时钟架构有三种

数据报文

• I2C
  • 按字节传输
    
    
• SPI
  • 按字节传输
    
• CAN
  • 帧
    • 数据帧，软件实现，所以只要掌握数据帧、遥控帧即可
    • 遥控帧，软件实现
    • 错误帧，硬件完成
    • 过载帧，硬件完成
  • 每帧由 7 部分组成
    • 帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC 段、ACK 段、帧结束
      
• PCIe
  • 四层
    • 应用层，不是 PCIe Spec 规定的内容，完全由用户自行设计。下面三层都是 PCIe Spce 明确规定的，要求设计者严格遵循。
    • 事务层，Transaction Layer，收发事务层包（Transaction Layer Packet，TLP）
    • 数据链路层，Data Link Layer，收发数据链路层包（Data Link Layer Packet，DLLP）
    • 物理层，Physical Layer
  • 发
    
  • 收
    
  • TLP 报文格式
    

特点

• I2C

  • 同步、半双工
  • 速率
    • 标准模式 100kbps
    • 快速模式 400kbps
    • 高速模式 3.4Mbps
  • 同一时刻只能有一个 master 与一个 slave 通信

• SPI

  • 同步、全双工

  • 同一时刻只能有一个 master 与一个 slave 通信

  • 有 4 种不同的数据传输时序（工作模式）

  • 速率

    • 受限于硬件，STM32 是 18M

  • 主要用在 EEPROM、FLASH、实时时钟、AD 转换器、数字信号处理器、数字信号解码器

  • 缺点

    • 没有应答机制确认是否收到数据

  • CAN

    • 多主总线，多主竞争
    • 废除传统的地址编码，代之使用对通信数据块进行编码。优点是节点个数在理论上不受限制。
    • 数据段长度最多为 8 字节，不会占用总线太长时间，实时性高
    • 速率
      • 最高 1M

• PCIe

  • 也是串行总线
  • 点对点（传统 PCI 是共享总线）
  • 全双工
  • 按需调整 PCIe 设备带宽
    • 显卡，多个 lane
    • 网卡，一个 lane
  • 速率
    • 注意这里是 大B