硬件電路設(shè)計(jì)之SPI電路設(shè)計(jì)

1 簡(jiǎn)介

SPI（Serial Peripheral Interface） 是串行外設(shè)接口的簡(jiǎn)稱，是微控制器（MCU）與外圍設(shè)備通信最常見(jiàn)的接口，常見(jiàn)的外圍設(shè)備包含ADC/DAC、傳感器以及存儲(chǔ)器等。

2 SPI的特點(diǎn)

• SPI有哪些引腳？

SPI是一種同步全雙工通信方式，我們一般采用四線SPI接口，具體包含以下這些信號(hào)：

• 時(shí)鐘信號(hào)（SPI Clock,SCLK）
• 片選信號(hào)（Chip Select,SC）
• 主機(jī)輸出，從機(jī)輸入（Master Output Slave Inpit，MOSI或DO）
• 主機(jī)輸入，從機(jī)輸出（Master Inpit Slave Output，MISO或DI）

其中每個(gè)PIN腳都有其特定的功能，具體見(jiàn)下：

• SPI信號(hào)與I2C信號(hào)有哪些差異？

SPI接口與I2C接口有很明顯的不同，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• SPI時(shí)鐘的頻率比I2C時(shí)鐘頻率更高。
• SPI采用四線制，I2C采用二線制。
• SPI只能有一個(gè)主機(jī)，I2C可以有多個(gè)主機(jī)（總線仲裁機(jī)制）。
• SPI信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程？

SPI通信需要的時(shí)鐘由主機(jī)（Master）產(chǎn)生，且主機(jī)通過(guò)片選信號(hào)來(lái)選擇通信的設(shè)備（低電平有效，由主機(jī)主動(dòng)拉低）。SPI能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送(MOSI)與接收（MISO），且SPI允許用戶靈活選擇時(shí)鐘的上升沿/下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和移位。

3 時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位

• 什么是時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位（CPHA）？

在SPI通信中。時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位是可以由用戶進(jìn)行設(shè)定的。

時(shí)鐘極性（CPOL） :決定了時(shí)鐘信號(hào)在空閑時(shí)的狀態(tài)（高電平或者低電平）。

時(shí)鐘相位（CPHA） :決定了是在上升沿或者下降沿進(jìn)行采樣和移位。

• 時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位（CPHA）的圖解

說(shuō)明：

• 綠色：表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始和結(jié)束。
• 橙色：表示數(shù)據(jù)的采樣。
• 藍(lán)色：表示數(shù)據(jù)的移位。
• SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出。

• SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出。

• SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出。

• SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出。

4 SPI的級(jí)聯(lián)

多個(gè)從機(jī)可與單個(gè)SPI主機(jī)一起使用。從機(jī)可以采用常規(guī)模式連接，或采用菊花鏈模式連接。

• 常規(guī)模式

在常規(guī)模式下，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào)。一旦主機(jī)使能（拉低）片選信號(hào)，MOSI/MISO線上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)便可用 于所選的從機(jī)。如果使能多個(gè)片選信號(hào)，則MISO線上的數(shù)據(jù)會(huì)被破壞，因?yàn)橹鳈C(jī)無(wú)法識(shí)別哪個(gè)從機(jī)正在傳輸數(shù)據(jù)。從下圖可以看出，隨著從機(jī)數(shù)量的增加，來(lái)自主機(jī)的片選線的數(shù)量 也增加。這會(huì)快速增加主機(jī)需要提供的輸入和輸出數(shù)量，并限制可以使用的從機(jī)數(shù)量?？梢允褂闷渌夹g(shù)來(lái)增加常規(guī)模式下的從機(jī)數(shù)量，例如使用多路復(fù)用器產(chǎn)生片選信號(hào)。

• 菊花鏈模式

在菊花鏈模式下，所有從機(jī)的片選信號(hào)連接在一起，數(shù)據(jù)從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)。在此配置中，所有從機(jī)同時(shí)接收同一SPI時(shí)鐘。來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)直接送到第一個(gè)從機(jī)，該從機(jī)將數(shù)據(jù)提供給下一個(gè)從機(jī)，依此類推。

使用該方法時(shí)，由于數(shù)據(jù)是從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)，所以傳輸數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘周期數(shù)與菊花鏈中的從機(jī)位置成比例。例如在下圖所示的8位系統(tǒng)中，為使第3個(gè)從機(jī)能夠獲得數(shù)據(jù)，需要24個(gè)時(shí)鐘脈沖，而常規(guī)SPI模式下只需8個(gè)時(shí)鐘脈沖。圖8顯示了時(shí)鐘周期和通過(guò)菊花鏈的數(shù)據(jù)傳播。并非所有SPI器件都支持菊花鏈模 式。請(qǐng)參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)以確認(rèn)菊花鏈?zhǔn)欠窨捎谩?/p>