FPGA通讯协议学习笔记1- SPI协议

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1、SPI(Serial Peripheral Interface)串行外设接口 https://www.cnblogs.com/dongry/p/9921216.html

2、SPI通信协议（SPI总线）学习 https://www.cnblogs.com/deng-tao/p/6004280.html

3、SPI协议详解 https://blog.csdn.net/weiqifa0/article/details/82765892

1. SPI协议简介

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

2.SPI通讯性质

2.1.    SPI优点

支持全双工通信——因为SPI输入、输出有两根线，共用一个时钟信号线。

通信简单数据传输速率快——只需要控制最多四根信号线。

2.2.    最大传输速率

I2C协议v2.1规定了100K，400K和3.4M三种速率(bps)。SPI是一种事实标准，由Motorola开发，并没有一个官方标准。已知的有的器件SPI已达到50Mbps。具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。

SPI最大传输速率受以下几个条件影响：

SPI的最大时钟频率（数字信号传输特性）

CPU处理SPI数据的能力（计时处理得到的数据）

输出端驱动能力（PCB所允许的最大信号传输速率）

2.3.    缺点

没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据，所以跟IIC总线协议比较在数据 可靠性上有一定的缺陷。

2.4.    特点

高速、同步、全双工、非差分、总线式

主从机通信模式

3.协议通信时序详解

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共 有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。

SDO/ MOSI —— master output slave input 主设备数据输出，从设备数据输入。

SDI / MISO —— master input slave output 主设备数据输入，从设备数据输出  对应SCLK   – 时钟信号，由主设备产生

SCLK —— 时钟信号，由主设备产生，不同于IIC协议里的时钟信号产生机制。

CS/SS —— 从设备使能信号(片选信号)，由主设备控制。

图 1 SPI协议设备通信连接图

4.  SPI时钟信号的相位与极性

SPI通信有4种不同的模式，不同的从设备可能在出厂时就是配置为某种模式，这是不能改变的，但我们的通信双方必须是工作在同一模式下。SPI接口由CPOL和CPHA设置四种不同传输格式的时序。

CPOL(Clock  Polarity)时钟极性——配置SCLK空闲态状态。

CPHA(Clock  Phase)时钟相位——配置数据采样在第1个/第2个边沿。

CPOL：时钟极性选择，为0时SPI总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平。

CPHA：时钟相位选择，为0时在SCK第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样，详见下表 1。

表 1SPI时钟相位CPHA对Master/Slave输出/采样的影响

CPOL/CPHA的设定	第一位数据的输出	其它位的输出	数据采样
CPOL=0，CPHA=0	在第一个SCK上升沿之前	SCK下降沿	SCK上升沿
CPOL=1，CPHA=0	在第一个SCK下降沿之前	SCK上升沿	SCK下降沿
CPOL=0，CPHA=1	第一个SCK上升沿	SCK上升沿	SCK下降沿
CPOL=1，CPHA=1	第一个SCK下降沿	SCK下降沿	SCK上升沿

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1.    SPI时钟信号的相位、极性配置下的数据传输时序

工作方式1：当CPHA=0、CPOL=0时SPI总线工作在方式1。MISO引脚上的数据在第一个SCK沿跳变之前已经上线了，而为了保证正确传输，MOSI引脚的MSB位必须与SCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，首先将数据上线，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（下降沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。

 

 

图 2工作方式1时序图

工作方式2：当CPHA=0、CPOL=1时SPI总线工作在方式2。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的下降沿时捕捉位信号，上升沿时下一位数据上线。

 

图 3工作方式2时序图

工作方式3：当CPHA=1、CPOL=0时SPI总线工作在方式3。MISO引脚和MOSI引脚上的数据的MSB位必须与SCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，在同步时钟信号周期开始时（上升沿）数据上线，然后在同步时钟信号的下降沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（上升沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。

 

图 4工作方式3时序图

工作方式4：当CPHA=1、CPOL=1时SPI总线工作在方式4。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的上升沿时捕捉位信号，下降沿时下一位数据上线。

 

图 5工作方式4时序图

5.数据传输分析

 

图 6工作方式4时序图

主机移位寄存器中的一个数据通过MOSI传到从机移位寄存器（即写操作）；同时，从机移位寄存器中的一个数据通过MISO传到主机移位寄存器（即读操作）；读写操作同时进行。

1.如果主机只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节。

2.如果主机要读取从机的一个字节，必须先发送一个空字节0xFF，才能使从机中的数据移到主机。