2 协议概述

SPI

串行外设接口是一种串行通信协议，其架构简单，由主控制器和一个或多个外设组成。

控制器生成时钟信号 (SCLK) 和片选信号 () 以启用或禁用特定外设器件。标准 SPI 通信使用两条单向数据线路：“发送数据输出 (SDO)”和“发送数据输入 (SDI)”，使控制器和外设 IC 能够同时写入和读取数据，从而支持全双工通信。3 线制 SPI 是一种替代方案，仅用一条双向数据线来发送和接收数据。

与其他协议相比，SPI 的主要优势在于更快、更精准的数据传输。数据与时钟信号同步，从而实现具有精准读写时序的高频通信。SPI 的连续数据流式传输无需中断或复杂寻址方案，从而降低了延迟。

在数据中心内，由于存储了大量数据，因此需要高速数据访问以及系统监控器来监测环境和电气条件。SPI 可用于连接温度、压力和电压传感器。SPI 通信可降低传感器与控制器之间的延迟，从而更大限度地降低系统损坏或故障的潜在风险。它还适用于汽车 ADAS 系统，这些系统依靠摄像头、雷达、激光雷达和红外传感器进行实时监测与感应，其中低延迟对于确保快速反应时间至关重要。

由于每个器件都需要单独的片选线路，SPI 给拥有众多外设且 GPIO 引脚数量有限的高密度系统带来了潜在的挑战。目前的解决方案往往采用 GPIO 扩展器或更大的 MCU，因此会增加 BOM 数量和增大解决方案尺寸。

为解决这一问题，可采用 TMUX1204 (4:1) 等多路复用器，以在多个外设器件之间切换一条片选线路。如下面的图 3 所示，它将四个引脚减少为仅采用一个 GPIO，具有 14 ns 的快速转换时间，以及仅 2.5 mm² 的超小尺寸。对于较大的系统，TMUX1208 (8:1) 具有相同的开关时间和电气特性，但可替换多达八个引脚。

多路复用器提供的另一种高密度解决方案是，减少工业或数据中心传感器网络系统设计中的 ADC 数量。与电压、压力和温度等传感器通信时，每个信号单独配备 ADC 会导致面积和成本显著增加。多路复用器可以将多个模拟输出切换到一个 ADC，使用 16:1 多路复用器（如精密多路复用器 MUX506）有效代替 16 个单独的 ADC。

精密多路复用器具有低电荷注入和漏电流的额定值，可确保信号完整性。这在数据中心应用的冷却系统和电气监控器中尤为重要，能够确保其正常运行。工业系统同样依赖大量传感器来实现电机控制、工厂自动化和机器人。这些应用需要在封装、制造和设备运行过程中进行压力和电气检测。下面的图 4 展示了一个单线 SPI 系统，其使用 TMUX1104 (4:1) 在三个传感器之间切换，仅用一个 ADC。未使用所有通道时，未使用的引脚可以接地，以避免潜在的噪声或串扰。

QSPI

四路 SPI 遵循与标准 SPI 非常相似的协议，但可通过四条半双工数据线实现更高的数据速率。额外的数据线允许传输最多四倍的数据量，相当于将 SPI 的数据传输速率提高四倍。QSPI 特别适合数据中心，可用作主处理器与外部闪存存储器（存储 FPGA 固件和 BIOS 系统映像）之间的通信接口。与标准 SPI 相比，QSPI 能够缩短引导时间和加快系统启动。其还在汽车行业中用于实时控制和监测的低延迟应用，例如车载信息娱乐系统和车身模块控制。

尽管 QSPI 提高了系统吞吐量，但也带来了系统限制：它需要额外的 I/O 引脚，因而增加了满足信号路由和引脚要求所需的成本和面积。不过，通过多路复用 SPI 总线，一组 GPIO 引脚即可实现主控制器与多个闪存芯片之间的通信，如下面的图 5 所示。TMUXL27518（2:1 6 通道）具有高带宽、低电容和出色的隔离性能，旨在将多媒体卡主机器件扩展到多个外设。其可在发生中断或数据损坏时在主闪存与备用闪存之间进行切换，确保在紧急情况下一致的数据可访问性，同时提供一种兼顾空间与成本效益的解决方案。

OSPI

对于需要更高数据吞吐量的应用，八路 SPI 提供八条半双工数据线，将 QSPI 的数据速率翻倍。虽然 OSPI 应用场景与 QSPI 类似，但它通常出现在需要更高吞吐量和更快响应时间的设计中，例如数据中心或高性能计算中心的 MCU 或 FPGA 系统。由于 OSPI 具有高数据速率信号传输，因此在汽车应用中也日益普及。当前的应用包括需要高分辨率图形和快速存储器存取的车载信息娱乐系统，以及用于自动驾驶控制和检测的 ADAS 系统。数据密集型系统备份还利用 OSPI 进行存储体和失效防护引导选择。失效防护保护对于确保数据中心和 ADAS 系统的安全性和可靠性至关重要，这些系统必须在存储器损坏或断电时快速恢复。

与 QSPI 一样，OSPI 引脚要求可能给高密度应用带来挑战。信号多路复用使系统能够在存储器或电源的主要与备用选择之间高效切换，从而减少 GPIO 数量和系统面积，如图 6 所示。与 QSPI 总线多路复用类似，可使用两个 SN3257-Q1（2:1，4 通道）多路复用器在两个 OSPI 存储器之间切换。