烧录协议基础：SPI、I2C、SWD 详解与选择策略
做烧录工具开发，绕不开的就是通信协议。你想想看，芯片不会说话，你得通过某种方式把固件塞进去。这个「方式」就是烧录协议。我个人习惯把协议分成两类：一类是芯片出厂自带的调试接口，比如 SWD；另一类是通用总线协议，比如 SPI 和 I2C，很多芯片的 Bootloader 都跑在这上面。
这一章咱们就把这三个协议掰开揉碎，讲清楚它们的时序、优缺点，以及什么时候该用哪个。
SPI 协议详解
SPI，全称 Serial Peripheral Interface，摩托罗拉发明的。说白了就是四根线搞定一切：SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。
它的核心特点就一个字——快。我做过一个项目，用 SPI 烧录 8MB 的固件，时钟跑到 40MHz，十几秒就完事了。换成 I2C 的话，同样的数据量得等好几分钟。
SPI 的关键参数：
- 时钟极性（CPOL）：空闲时时钟是高电平还是低电平
- 时钟相位（CPHA）：数据在时钟的上升沿还是下降沿采样
- 片选极性：低电平有效还是高电平有效
这里有个坑。我曾经调试一块 Flash 芯片，怎么都读不到 ID。折腾了半天，发现是 CPOL 和 CPHA 没对上。芯片手册写的是 Mode 3（CPOL=1, CPHA=1），我默认用了 Mode 0。嗯，从那以后我每次都会先确认 SPI 模式。
| SPI 模式 | CPOL | CPHA | 采样沿 | 常见设备 |
|---|---|---|---|---|
| Mode 0 | 0 | 0 | 上升沿 | 多数 Flash、SD 卡 |
| Mode 1 | 0 | 1 | 下降沿 | 部分 ADC |
| Mode 2 | 1 | 0 | 上升沿 | 某些传感器 |
| Mode 3 | 1 | 1 | 下降沿 | 多数 SPI Flash |
小技巧：写烧录脚本时，建议把 SPI 模式做成可配置参数。不同批次、不同厂家的 Flash，模式可能不一样。硬编码会让你后期很痛苦。
I2C 协议详解
I2C 是 Philips 搞出来的，只有两根线：SCL（时钟）和 SDA（数据）。它比 SPI 慢，但胜在连线少，而且支持多设备挂载在同一总线上。
I2C 的通信过程很有意思。每次传输以 START 条件开始，以 STOP 条件结束。中间是地址+读写位，然后是数据。每个字节后面跟一个 ACK 应答位。
我记得第一次用 I2C 烧录 EEPROM 时，死活收不到 ACK。查了半天，发现是地址写错了。7 位地址左移了一位，加上读写位后整个就不对了。这种低级错误，犯过一次就再也不会犯了。
注意：I2C 的速率通常有 100kHz（标准模式）、400kHz（快速模式）和 1MHz（高速模式）。烧录场景下，建议用 400kHz 以下，稳定性更好。我曾经试过 1MHz 烧录，结果数据经常出错，降速后就稳了。
I2C 还有一个特点：它是开漏输出，需要外部上拉电阻。这个电阻值选不好，波形就会变形。我一般用 4.7kΩ，总线电容大的时候换成 2.2kΩ。
SWD 协议详解
SWD 是 ARM 公司搞的调试接口，全称 Serial Wire Debug。它只有两根线：SWDIO（数据）和 SWCLK（时钟）。相比传统的 JTAG（需要 5 根线），SWD 省了 3 根线，但功能一点没少。
SWD 协议的核心是 AP（访问端口）和 DP（调试端口）。DP 负责协议层，AP 负责访问芯片内部资源。烧录时，我们通过 DP 发送命令，通过 AP 读写 Flash 控制器寄存器。
SWD 烧录的基本流程：
- 连接目标芯片（发送 50 个时钟周期的线复位序列）
- 读取 DP-IDR 寄存器，确认芯片处于调试模式
- 配置 AP，选择要访问的 Flash 控制器
- 解锁 Flash（写入解锁序列）
- 擦除扇区
- 写入数据（按页写入）
- 校验数据
- 锁定 Flash
这里有个关键点：SWD 的时序非常敏感。我曾经在一条长线上跑 SWD，结果经常连接失败。后来加了 33Ω 的串联电阻，波形干净多了。嗯，做硬件调试就是这样，细节决定成败。
协议选择策略
三种协议各有千秋，选哪个得看具体场景。我整理了一张对比表，方便你快速决策。
| 对比维度 | SPI | I2C | SWD |
|---|---|---|---|
| 线数 | 4 根（含片选） | 2 根 | 2 根 |
| 最大速率 | 50MHz+ | 1MHz（高速模式） | 10MHz+ |
| 多设备支持 | 需独立片选 | 地址寻址 | 单点对点 |
| 适用场景 | 大容量 Flash 烧录 | 小容量 EEPROM、传感器 | ARM 芯片调试与烧录 |
| 协议复杂度 | 低 | 中 | 高 |
我的选择原则是这样的：
- 如果芯片有 SWD 接口，优先用 SWD。它最稳定，功能最全，还能做调试。
- 如果芯片只有 Bootloader，看 Bootloader 支持什么。多数芯片的 Bootloader 支持 SPI 或 I2C。
- 如果追求速度，选 SPI。40MHz 的 SPI 比 400kHz 的 I2C 快 100 倍。
- 如果引脚紧张，选 I2C 或 SWD。两根线搞定一切。
我的建议：做烧录工具时，最好三种协议都支持。用配置文件指定协议类型和参数，这样换芯片时只需要改配置文件，不用改代码。我现在的烧录框架就是这种设计，支持了 50 多种芯片，维护成本很低。
最后说一句，协议只是手段，不是目的。你的目标是稳定、快速地把固件烧进去。选协议时，多看看芯片手册，多测测波形，别想当然。