需要把握住的SPI通信知識點(diǎn)

SPI通信在嵌入式領(lǐng)域是非常常用的一種通信方式了，相比串口、IIC等等，SPI通信是一種高速、高效率的串行接口技術(shù)。

然而最近在新項(xiàng)目開發(fā)中使用SPI通信卻遇到了不少問題，過程中還是有挺多技術(shù)細(xì)節(jié)和知識點(diǎn)需要把握住的，那么今天bug菌就結(jié)合最近的使用情況和一直以來在SPI通信上踩過的坑進(jìn)行總結(jié)和記錄，一起避坑。 本文為基礎(chǔ)鞏固篇：

1通信形式

SPI是一種全雙工、同步串行的通信方式，全雙工、半雙工等，表示某一時刻，數(shù)據(jù)的流動形式，全雙工即可雙向同時收發(fā)，而半雙工則在一個時刻只能收或者發(fā)，通常全雙工具有兩條獨(dú)立通信線路，而半雙工則共用同一條線路。

從SPI通信接線圖可以看出，MOSI用于主機(jī)數(shù)據(jù)輸出，從機(jī)數(shù)據(jù)輸入，MISO引腳的數(shù)據(jù)流則剛好與之相反，所以數(shù)據(jù)流收發(fā)是走的兩條獨(dú)立的線路，從而可實(shí)現(xiàn)全雙工通信模式，當(dāng)然你也可以用于只用于單向數(shù)據(jù)傳輸，比如省略掉MISO僅主機(jī)傳輸從機(jī)數(shù)據(jù)等。

SPI通信有一個SCLK時鐘線作為通信的同步信號，用來標(biāo)定數(shù)據(jù)在MOSI和MISO引腳上的傳輸情況，SCLK是由主機(jī)來控制提供，從機(jī)檢測識別，從而同步完成數(shù)據(jù)傳輸。

片選信號CS引腳，還記得有一次面試問片選信號CS英文是什么?英文直譯即可--Chip Select。

片選信號在大部分?jǐn)?shù)字芯片都有存在，外界給該引腳相應(yīng)的電平即可選中，相當(dāng)于一個"總開關(guān)"，大部分從設(shè)備都是低電平被選中(電路圖中通常在CS上劃線標(biāo)識)，如果一直被選中則直接接地即可;當(dāng)然也有少部分高電平選中則可直接接到VCC，切記不可懸空，以免異常。

這樣看SPI的通信線路非常簡單，沒有繁雜的線路硬件也省了不少事，但很多朋友包括bug菌曾經(jīng)因?yàn)榘阎鳈C(jī)的MOSI接到從機(jī)的MISO而折騰得不輕，都是慣性思維惹的禍，一定要記住是對應(yīng)引腳相連。

2通信線路

SPI是一種主從通信方式，在SPI通信總線上通常只有一個主機(jī)，一切通信的開始都是以主機(jī)發(fā)起，那如果在一條總線上與多個從設(shè)備通信呢?下面以兩個從機(jī)為例，更多的從機(jī)也是類似的。

通過不同的片選引腳來選中不同的從設(shè)備，從而完成一對多的通信過程。通常多從機(jī)的情況都會采用多余的IO口連接從設(shè)備的片選引腳，以便分時控制從設(shè)備，達(dá)到一主多從機(jī)的主從控制方式。

當(dāng)然如果獨(dú)立的IO口引腳有限，可以采用IO口擴(kuò)展芯片進(jìn)行選中，也是比較方便的。

3通信數(shù)據(jù)

SPI通信是一種交換數(shù)據(jù)的形式，主機(jī)根據(jù)SCLK時鐘把數(shù)據(jù)從MOSI引腳按bit位發(fā)送的同時，從機(jī)也以相同的速率把數(shù)據(jù)從MISO引腳傳輸，其傳輸數(shù)據(jù)形式如下:

從SPI通信數(shù)據(jù)流圖可以看出其發(fā)送與接收形成了一個封閉的環(huán)，所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)像水在一根管道內(nèi)循環(huán)流動，所以其硬件線路上并沒有像I2C那樣有所謂的應(yīng)答機(jī)制，通信效率上提高不少，但數(shù)據(jù)可靠性也會有一定的減弱。

前面bug也談到SPI是一種主從通信機(jī)制，那么使得“管子”內(nèi)數(shù)據(jù)流涌動的源泉一方面需要SPI的SCLK時鐘保持好節(jié)奏，另一方面就是需要主機(jī)來推動，所以如果master只是想獲取slave的數(shù)據(jù)，也需要發(fā)送空數(shù)據(jù)來使得整個數(shù)據(jù)流動起來，從而獲得從機(jī)的數(shù)據(jù)。

細(xì)心的朋友應(yīng)該注意到上圖中MSB和LSB方向了，通常SPI通信都是以MSB來進(jìn)行發(fā)送，但像stm32芯片這樣的芯片可以設(shè)置是LSB先發(fā)送還是MSB先發(fā)送。

所以在分析SPI通信數(shù)據(jù)的時候這些數(shù)據(jù)都是需要提前了解的。

4通信電平?

SPI比較麻煩點(diǎn)的就是時鐘極性和時鐘相位的確定了，但再怎么麻煩也就確定了4種模式。

如下是4種模式的時序圖，其中CPOL(Clock Polarity)表示時鐘極性，CPHA(Clock Phase)表示時鐘相位。

從圖中我們可以分析得到:

1、CPOL和CPHA共同決定數(shù)據(jù)的采集方式。

2、CPOL決定了SCLK默認(rèn)狀態(tài)，當(dāng)CPOL=0，時鐘空閑時是低電平;當(dāng)CPOL=1，時鐘空閑時為高電平。

3、CPHA決定了數(shù)據(jù)在第幾個跳變沿采集，當(dāng)CPHA=0，在SCLK第一個跳變沿采集穩(wěn)定數(shù)據(jù);當(dāng)CPHA=1，在SCLK第二個跳變沿采集穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

每個bit的數(shù)據(jù)交換，都是在電平穩(wěn)定的時候進(jìn)行數(shù)據(jù)電平采集，在電平變化的時候進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，一般從設(shè)備像高精度ADC等等，出廠就已經(jīng)是固定了某種模式，我們需要做的就是通過配置可編程的主機(jī)SPI外設(shè)在相同的一種頻率和模式下通信，否則就是造成數(shù)據(jù)錯亂。

現(xiàn)在比較流行庫開發(fā)，很多外設(shè)使用案例直接可以拿過來用，或者嘗試著調(diào)整幾個參數(shù)就可以了，似乎不需要懂太多的原理，但這樣的學(xué)習(xí)終究只是把芯片玩起來了，要做到一通百通還是得從最原始的理論出發(fā)，只有把握住這些重點(diǎn)才能在項(xiàng)目開發(fā)的過程中直面問題并搞定它。

下一篇進(jìn)階避坑篇，我們再更加深入聊聊SPI。

原文標(biāo)題：大話SPI通信--基礎(chǔ)鞏固篇

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審核編輯：湯梓紅