SPI 揭秘：了解基础知识和其他

SPI 揭秘：了解基础知识和其他

简介

       串行外设接口是微控制器与外设（比如SRAM，SD卡，移位寄存器，传感器等）通信的最主要的协议之一。它是一种同步的，全双工，基于主从的协议。比如，如果SPI的时钟是36MHz，传输速度将是36Mbps。因此，SPI协议的传输速度没有限制。这完全取决于设备支持的速率。SPI的接口是4线：

l  主出从入（MOSI）

l  主入从出（MISO）

l  时钟（SCLK）

l  从选择~SS

SPI 接口

 

 

图1 SPI接口

 

       MOSI和MISO是传输数据的主要线路。SCLK是主控产生的对总线上数据采样的时钟信号。~SS是低有效的信号线，用来选择从设备。

       使用SPI连接设备简单直接。连接主从设备相同名称的引脚即可，不会弄错。

SPI数据传输

       如前所述，SPI是一种全双工协议，这就意味着主从设备可以利用各自的MOSI和MISO线同时收发数据。SPI的优点之一就是不需要启动位和停止位，因为总线上的SCLK同步数据。SCLK同步数据线上的位的移位和采样，本文后续将详细阐述.

       关于可传输的数据位数，SPI协议支持的字长范围是3~16位，标准是8位。如何主从设备想一次传输2个字节，可以选择16位的字长（微控制器支持）或用2个8位的数据包打包传送。

       SPI支持多个从设备连接。每个从设备，有一条独立的~SS线。数据交换只在主机和被选中的从机之间发生；没被选中的从机处于休眠状态，不使用MOSI和MISO线。图2显示的是多个从设备的连接方式。

 

 

图2 通过SPI总线，多个从设备连接到主设备

 

       SPI也并不是完美的，因为用到的~SS线就是数字IO引脚，因此，可以连接的从机数量受到微控制器的IO口的限制。

为何要使用带有SPI的时钟

       你可能会问：如果串行协议可以异步工作，为何会引入时钟？如何你看过前面的UART指南，就会发现通过UART通信的设备没有一个公共的时钟来同步数据传输。通信设备依靠其内部的时钟采样数据。因此，时钟必须精准，否则将收到垃圾数据。另外，需要额外的位来标记数据帧的开始和结束，这也会造成额外的开销。但在SPI里，不需要标记数据帧的开始和结束，它在时钟的上升沿或下降沿同步数据。接下来，我们看看SPI是如何实现这一点的。

       在继续探索前，需要了解两个重要的名词“

SPI的时钟模式CPOL和CPHA

 

 

图3.1 数据采样和移位的四种模式

 

 

 

表1 采样和移位的时钟模式

 

1.     SPI模式0-CPOL：0，CPHA：0

 

 

图3.2 SPI模式0

 

在时钟上升沿数据采样，在时钟下降沿移位输出。这里，理想状态下，时钟的状态是低电平，没有数据传输时，时钟线是低电平。

2.     SPI模式1-CPOL：0，CPHA：1

 

 

图3.3 SPI模式1

 

       在时钟下降沿采样数据，在时钟上升沿移位输出。无数据传输时，时钟拉低。

3.     SPI模式2-CPOL：1，CPHA：0

 

 

图3.4 SPI模式2

 

       在时钟上升沿采样，在时钟下降沿移位输出，空闲时，时钟拉高。

4.     SPI模式3-CPOL：1，CPHA：1

 

 

图3.5 SPI模式3

 

       在时钟下降沿采样，上升沿移位输出。时钟空闲时拉高。

 

       嵌入式工程师必须要知道SPI时钟模式，从设备往往预设了其中一种模式。可在从设备的数据手册中找到它的预设模式。一旦我们确认了从机的操作模式，就可以配置主机为相应的模式，通过SPI总线通信。

 

SPI寄存器中数据接收和发送

       支持SPI的为控制器有一套专用的控制和数据寄存器。这些专用寄存器配置时钟模式，并在设备之间发送和接收数据。

       SPI遵循串进串出的方式，每发送一位就会收到新的一位。因此，在每个时钟脉冲，通过MOSI线主机发送1位数据给从机，同时，通过MISO线，从机发送数据给主机。

       数据的收发如下图所示。时钟模式控制设置为CPHA=0，CPOL=0：

1. 数据存储在主从设备各自的SPI数据寄存器里。

 

 

1. 要开始通信，主机发送时钟信号，并通过~SS选择要通信的从机。从机被SS线上的0信号中断，准备传送。主从设备的最低位在MOSI和MISO线上从寄存器移位输出。注意，~SS线一直保持低，直到所有数据传送完成。

 

 

 

1. 主从设备都在SCLK上升沿（CPHA=1）对最低位采样，并存储在数据寄存器的最高位。

 

 

 

1. 数据寄存器剩下的位依次在时钟下降沿移出，腾空最高位，新的最低位在数据线上传送。然后，在时钟上升沿采样，存储。

 

 

 

1. 这个过程一直重复，直到数据寄存器的8位数据从主机传送到从机完成。因此，数据从主机一个字节一个字节的发送到从机，反之亦然。当数据传送完成，主机将~SS拉高，结束通信。

 

 

 

SPI中的菊花链方法

       在上面讨论的SPI配置中，从机需要单独的线与主机通信，当出现可用的引脚数量小于需要的数量时，菊花链方法可以解决这个问题。

 

SPI 接口

       在菊花链方式里，所有从机的~SS引脚连接到主机的同一个引脚。一个主机，2个从机的菊花链模式如下图所示。所有的从机与主机共用一条SCLK线，但其他引脚连接不同。

       主机的MOSI连接到从机的MOSI，从机1的MISO连接到从机2的MOSI，从机2的MISO又返回到主机的MISO。

 

 

图5 SPI菊花链连接

 

       类似的，如果有N个从机，都可以用菊花链串起来。

 

SPI数据传输

       要了解菊花链连接的数据传输，如图5所示，主机想把数据1和数据2分别发送给从机1和从机2.菊花链配置中的数据发送按以下方式进行：

1. 初始化通信，主机将把~SS拉低，激活两个从机。

 

 

 

1. 主机发送数据2给从机1，保存在数据1的缓存里。

 

 

 

1. 根据标准SPI协议，在8个时钟周期后，从机1将把数据2通过MISO-MOSI发送给从机2，并从主机接收数据1.

 

 

 

1. 一旦两个数据包都到达它们的目的地，从机2通过MISO-MISO通知主机。当收到响应字节，主机通过不使能SS线来结束通信。

 

 

 

       使用菊花链减少需要的引脚数量。但从机越多，传输越慢。在使用菊花链方法时，注意所有设备使用相同的时钟，并且空闲的时钟状态也很重要。

 

总结

       SPI通信协议非常适合SD卡，各种传感器，以及功能强大的工业调试工具。它具有高速，简单和低成本等优点，缺点就是比其他协议需要更多的引脚。

 

 

参考：https://www.circuitbread.com/tutorials/spi-demystified-understanding-the-basics-and-beyond