SPI总线协议

Travis 发布于2021-10-09 09:43 / 1208人阅读

摘要：目录概述概述总线机制总线机制的四种工作模式的四种工作模式数据交换数据交换概述是一种同步串行通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。

1.SPI概述

SPI(serial peripheral interface)是一种同步串行通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。SPI是一种高速全双工同步通信总线，标准的SPI仅仅使用4个引脚，主要应用在 EEPROM, Flash, 实时时钟(RTC), 数模转换器(ADC), 数字信号处理器(DSP) 以及数字信号解码器之间。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI总线首次推出是在1979年，Motorola公司将SPI总线集成在他们第一支改自68000微处理器的微控制器芯片上。由于在芯片中只占用四根管脚 (Pin) 用来控制以及数据传输, 节约了芯片的 pin 数目, 同时为 PCB 在布局上节省了空间。正是出于这种简单易用的特性, 现在越来越多的芯片上都集成了 SPI技术。

2.SPI总线机制

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)。

(1)SDO/MOSI – Serial Data Output/Master Out Slave In, 主设备数据输出，从设备数据输入;
(2)SDI/MISO – Serial Data Input/Master In Slave Out, 主设备数据输入，从设备数据输出;
(3)SCLK – Serial Clock,时钟信号，由主设备产生;
(4)CS/SS – Slave Select/Chip Select, 从设备使能信号，由主设备控制。当有多个从设备的时候，因为每个从设备上都有一个片选引脚接入到主设备机中，当我们的主设备和某个从设备通信时将需要将从设备对应的片选引脚电平拉低或者是拉高。

3.SPI的四种工作模式

CPOL：clock polarity 时钟的极性；表示 SPI 在空闲时, 时钟信号是高电平还是低电平.

CPHA：clock phase 时钟的相位；表示 SPI 设备是在 SCK 管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样, 还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样.

时钟极性CPOL是用来配置SCLK的电平出于哪种状态时是空闲态或者有效态，时钟相位CPHA
是用来配置数据采样是在第几个边沿：

CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时
CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时
CPHA=0，表示数据采样是在第1个边沿，数据切换在第2个边沿
CPHA=1，表示数据采样是在第2个边沿，数据切换在第1个边沿

我们SPI通信有4种不同的模式，不同的从设备可能在出厂是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，所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式，具体如下：
Mode0：CPOL=0，CPHA=0
Mode1：CPOL=0，CPHA=1
Mode2：CPOL=1，CPHA=0
Mode3：CPOL=1，CPHA=1

四种模式的时序图如下如所示：

模式0：CPOL= 0，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换

模式1：CPOL= 0，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换

模式2：CPOL= 1，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换

模式3：CPOL= 1，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换
其中比较常用的模式是模式0和模式3。为了更清晰的描述SPI总线的时序，下面展现了模式0下的SPI时序图：

上图清晰的表明在模式0下，在空闲状态下，SCK串行时钟线为低电平，当SS被主机拉低以后，数据传输开始，数据线MOSI和MISO的数据切换(Toggling)发生在时钟的下降沿(上图的黑色虚线)，而数据线MOSI和MISO的数据的采样(Sampling)发生在数据的正中间(上图中的灰色实线)。下图清晰的描述了其他三种模式数据线MOSI和MISO的数据切换(Toggling)位置和数据采样位置的关系图：

4.SPI数据交换

SPI 设备间的数据传输之所以又被称为数据交换, 是因为 SPI 协议规定一个 SPI 设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个 "发送者(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)". 在每个 Clock 周期内, SPI 设备都会发送并接收一个 bit 大小的数据, 相当于该设备有一个 bit 大小的数据被交换了.

一个 Slave 设备要想能够接收到 Master 发过来的控制信号, 必须在此之前能够被 Master 设备进行访问 (Access). 所以, Master 设备必须首先通过 SS/CS pin 对 Slave 设备进行片选, 把想要访问的 Slave 设备选上.

在数据传输的过程中, 每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样. 如果之前接收到的数据没有被读取, 那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃, 导致 SPI 物理模块最终失效. 因此, 在程序中一般都会在 SPI 传输完数据后, 去读取 SPI 设备里的数据, 即使这些数据(Dummy Data)在我们的程序里是无用的.

参考文献：

SPI通信协议(SPI总线)学习

SPI总线协议概述

超融合服务器私有云 SPI SPI封包 spi接口 spi传输速率

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