一文詳解SPI串行外設(shè)接口協(xié)議

SPI在嵌入式系統(tǒng)中非常普遍，無(wú)論是芯片上的系統(tǒng)處理器（如ARM、MIC或Power PC等高端32位處理器），還是微控制器（如AVR、PIC等），通常包括能夠以主從模式運(yùn)行的SPI控制器。

系統(tǒng)內(nèi)可編程AVR控制器，可以使用SPI接口編程；基于芯片或FPGA的設(shè)計(jì)，有時(shí)使用SPI進(jìn)行通信。當(dāng)我們想要與外圍設(shè)備快速傳輸數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)性有要求時(shí)，SPI是目前常用的一種技術(shù)。

除SPI外，有許多串行接口，如Morse電報(bào)、RS232、 USB、火線、以太網(wǎng)等，對(duì)于許多設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，每個(gè)串行接口都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇取決于所需的數(shù)據(jù)速率、空間可用性和噪聲考慮等因素。

SPI即串行外圍接口，用來(lái)取代并行接口，這樣設(shè)計(jì)時(shí)就不必繞著PCB布線并行總線了。它提供設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，摩托羅拉是第一家將SPI命名為電路技術(shù)的公司。該技術(shù)應(yīng)用于上世紀(jì)70年代末的首個(gè)基于68000的MCU，用于連接周邊設(shè)備，后來(lái)被業(yè)內(nèi)其他公司采用。接口的簡(jiǎn)單性和速度，使通信或傳輸數(shù)據(jù)變得容易，并使其成為流行的通信協(xié)議。

SPI是一個(gè)簡(jiǎn)單的4線串行通信接口，使控制器和外設(shè)之間能夠相互通信。在SPI中，數(shù)據(jù)每個(gè)時(shí)鐘周期1 bit速率輸入/輸出，數(shù)據(jù)在主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備之間短距離、高速傳輸。它基于一個(gè)8位移位寄存器將數(shù)據(jù)移出到一個(gè)輸出引腳，并從另一個(gè)輸入引腳將數(shù)據(jù)移入。

SPI的另一個(gè)特性是，它沒(méi)有傳輸總線所有權(quán)的概念，即改變主節(jié)點(diǎn)，也沒(méi)有從節(jié)點(diǎn)地址。SPI是一種更簡(jiǎn)單的協(xié)議，因此工作頻率可以高于10MHz（比TWI的頻率高）。

SPI得到廣泛使用的一些特性是：

全雙工通信；

吞吐量高于TWI；

傳輸時(shí)不限于8位字；

簡(jiǎn)單的硬件接口；

可隨意選擇消息大小、內(nèi)容和目的；

通常符合低功耗要求；

從機(jī)使用主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘，不需要精確的振蕩器；

由于電路較少，功耗要求比TWI低。

然而，將TWI串行接口與SPI進(jìn)行比較是不公平的。它們有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，這取決于系統(tǒng)的需求。

TWI有如下特性：

IC封裝上的引腳數(shù)比SPI少；

存在硬件流控制；

它有一個(gè)正式的標(biāo)準(zhǔn)，不像SPI；

它在通信之前給出從機(jī)地址。

為什么SPI在PCB下應(yīng)用最多？

盡管SPI主要是為主機(jī)處理器和外設(shè)之間的通信而開(kāi)發(fā)的，但是通過(guò)SPI連接兩個(gè)處理器也是可能的。SPI總線通常只用在PCB上；在PCB領(lǐng)域之外使用SPI有很多阻礙。

首先，SPI被設(shè)計(jì)用來(lái)在不同的IC芯片之間以非常高的速度傳輸數(shù)據(jù)；由于高速要求，總線的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，否則會(huì)因?yàn)殡娍乖黾佣鵁o(wú)法使用。

當(dāng)然，在PCB外使用低速SPI是有可能的，但這不是很實(shí)際。外圍設(shè)備可以是實(shí)時(shí)時(shí)鐘、轉(zhuǎn)換器(如ADC和DAC)、內(nèi)存模塊(如EEPROM和FLASH)、傳感器(如溫度傳感器和壓力傳感器)或其他設(shè)備(如信號(hào)混頻器、電位器、LCD控制器、UART、can控制器、USB控制器和放大器)。

SPI協(xié)議

SPI協(xié)議包括以下4條信號(hào)線：

MOSI (Master Out Slave In)

MOSI信號(hào)由Master產(chǎn)生，接收端是Slave；

MISO(Master In Slave Out)

Slave產(chǎn)生MISO信號(hào)，接收方為Master；

SCLK/SCK

SCLK由master產(chǎn)生，用于在master和slave之間同步數(shù)據(jù)傳輸；

SS/CS

SS信號(hào)由master產(chǎn)生，用于選擇單個(gè)slave。

有時(shí)串行數(shù)據(jù)輸入[SDI]被用于MOSI，串行數(shù)據(jù)輸出[SDO]用于MISO。

一個(gè)主控制器可以與多個(gè)SPI外設(shè)通信，一般有兩種設(shè)置方法：

級(jí)聯(lián)slave配置；

并行slave配置。

級(jí)聯(lián)slave配置

級(jí)聯(lián)slave是將所有的時(shí)鐘線(SCLK)和片選(CS)連接在一起。數(shù)據(jù)通過(guò)微控制器傳輸?shù)矫總€(gè)外設(shè)，最后再返回到微控制器。前一個(gè)slave的數(shù)據(jù)輸出連接到下一個(gè)slave的數(shù)據(jù)輸入，從而形成一個(gè)更寬的移位寄存器。因此，級(jí)聯(lián)slave被視為一個(gè)更大的設(shè)備，他們連接相同的芯片選擇信號(hào)。

這意味著，master只需要產(chǎn)生一條SS線，而不用為每個(gè)slave都產(chǎn)生一條單獨(dú)的SS線。

并行slave配置

這是典型的SPI總線配置，包含一個(gè)master和多個(gè)slave。在這個(gè)獨(dú)立或并行的從屬配置中：

所有時(shí)鐘線(SCLK)都連接在一起；

所有MISO數(shù)據(jù)線都連接在一起；

所有MOSI數(shù)據(jù)線都連接在一起。

SPI通信

SPI通信一直是由master發(fā)起的。首先master產(chǎn)生時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率小于或等于slave支持的最大頻率；隨后master通過(guò)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)(SCLK)來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)將特定slave的芯片選擇(SS)線拉低來(lái)進(jìn)行通信。總線上的slave如果沒(méi)有被master選中，將會(huì)忽略來(lái)自主機(jī)的輸入時(shí)鐘和MOSI信號(hào)，并且絕對(duì)不能驅(qū)動(dòng)MISO；這意味著master每次只選擇一個(gè)slave。

四個(gè)引腳的使用取決于設(shè)備。例如，某些設(shè)備不需要輸入(例如ADC)， SDI引腳可能不存在，或者有些設(shè)備不需要輸出(例如LCD控制器)，SDO引腳可能不存在。如果一個(gè)微控制器只需要與1個(gè)SPI外設(shè)通信，那么該slave上的CS引腳可以接地（CS低電平有效）。對(duì)于多個(gè)從設(shè)備，每個(gè)從設(shè)備都需要一個(gè)獨(dú)立的CS信號(hào)。

SPI中三態(tài)輸出的意義是什么?

在數(shù)字電子學(xué)中，三態(tài)邏輯允許輸出端口除了0和1邏輯電平外，還采用高阻抗?fàn)顟B(tài)。這允許多個(gè)電路共享一個(gè)輸出線，大多數(shù)外設(shè)都有三態(tài)輸出，當(dāng)設(shè)備未被選中時(shí)，輸出會(huì)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)(斷開(kāi))。沒(méi)有三態(tài)輸出的設(shè)備不能與其他設(shè)備共享SPI總線。

SPI設(shè)備有時(shí)使用另一條信號(hào)線向主機(jī)CPU發(fā)送中斷信號(hào)。使用中斷信號(hào)例子有溫度傳感器的溫度警報(bào)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片發(fā)出的警報(bào)，以及手機(jī)聲音編解碼器監(jiān)測(cè)到的耳機(jī)插孔插入等。

時(shí)鐘極性和相位

另一對(duì)參數(shù)稱為時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)決定了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和采樣的時(shí)鐘信號(hào)的邊緣。除了設(shè)置時(shí)鐘頻率，master還必須配置時(shí)鐘極性(CPOL)和相位(CPHA)。由于時(shí)鐘作為數(shù)據(jù)通信的同步，在這個(gè)CPOL和CPHA的基礎(chǔ)上，有四種可能的模式可以在SPI協(xié)議中使用。

SPI應(yīng)用

全雙工能力使得SPI對(duì)于主/從應(yīng)用場(chǎng)景下十分高效，通過(guò)全雙工模式可以為數(shù)字音頻、數(shù)字信號(hào)處理等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高效、快速的數(shù)據(jù)流。

SPI用于與各種外設(shè)通信，例如：

傳感器

溫度，壓力，ADC，觸摸屏，視頻游戲控制器；

控制設(shè)備

音頻編解碼、數(shù)字電位器、DAC；

相機(jī)鏡頭

佳能EF鏡頭支架；

通訊

以太網(wǎng)，USB, USART,CAN手持視頻游戲；

存儲(chǔ)器

Flash和EEPROM；

實(shí)時(shí)時(shí)鐘；

LCD，有時(shí)甚至用于管理圖像數(shù)據(jù)；

任何MMC或SD卡(包括SDIO變體)；

對(duì)于高性能系統(tǒng)，F(xiàn)PGA有時(shí)使用SPI作為主機(jī)的從機(jī)接口，使用SPI作為傳感器的主機(jī)接口，或者用于flash memory的導(dǎo)入接口。