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1.SPI協議簡介


1.1.SPI協議概括


　　SPI，是英語Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應用在 EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議.


　　SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數據輸入），SDO（數據輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。


SDO     – 主設備數據輸出，從設備數據輸入 對應MOSI master output slave input
SDI      – 主設備數據輸入，從設備數據輸出  對應MISO master input slave output
SCLK   – 時鐘信號，由主設備產生
CS        – 從設備使能信號，由主設備控制
　　CS: 其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效，這就允許在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。


　　SDI/SDO/SCLK: 通訊是通過數據交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過 SDO線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數據的傳輸。


　　要注意的是，SCK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主控設備。


這樣傳輸的特點：這樣的傳輸方式有一個優點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續傳送至少8位數據，而SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據，也就是說，主設備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。SPI還是一個數據交換協議：因為SPI的數據輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數據的輸入和輸出。不同的SPI設備的實現方式不盡相同，主要是數據改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關器件的文檔。


在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。在多個從設備的系統中，每個從設備需要獨立的使能信號，硬件上比I2C系統要稍微復雜一些。


最后，SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數據。


SPI接口主要由4個引腳構成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整個SPI總線的公用時鐘，MOSI、MISO作為主機，從機的輸入輸出的標志，MOSI是主機的輸出，從機的輸入，MISO 是主機的輸入，從機的輸出。/SS是從機的標志管腳，在互相通信的兩個SPI總線的器件，/SS管腳的電平低的是從機，相反/SS管腳的電平高的是主機。在一個SPI通信系統中，必須有主機。SPI總線可以配置成單主單從，單主多從，互為主從。


SPI的片選可以擴充選擇16個外設,這時PCS輸出=NPCS,說NPCS0~3接4-16譯碼器,這個譯碼器是需要外接4-16譯碼器，譯碼器的輸入為NPCS0~3，輸出用于16個外設的選擇。


2.協議舉例

如下圖，是SPI的簡單收發時序圖。

SPI是一個環形總線結構，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。
       假設下面的8位寄存器裝的是待發送的數據10101010，上升沿發送、下降沿接收、高位先發送。
       那么第一個上升沿來的時候 數據將會是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來的時候，sdi上的電平將鎖存到寄存器中去，那么這時寄存器=0101010sdi，這樣在 8個時鐘脈沖以后，兩個寄存器的內容互相交換一次。這樣就完成里一個spi時序。 


舉例： 
       假設主機和從機初始化就緒：并且主機的sbuff=0xaa，從機的sbuff=0x55，下面將分步對spi的8個時鐘周期的數據情況演示一遍:假設上升沿發送數據


這樣就完成了兩個寄存器8位的交換，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相對于主機而言的。其中ss引腳作為主機的時候，從機可以把它拉底被動選為從機，作為從機的是時候，可以作為片選腳用。根據以上分析，一個完整的傳送周期是16位，即兩個字節，因為，首先主機要發送命令過去，然后從機根據主機的命令準備數據，主機在下一個8位時鐘周期才把數據讀回來。


　　SPI 總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCK，一條數據輸入線MOSI，一條數據輸出線MISO;用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點有:可以同時發出和接收串行數據;可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發送結束 中斷標志;寫沖突保護;總線競爭保護等。下圖示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式 (實線表示):                  


3. SPI總線四種工作方式


SPI 模塊為了和外設進行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協議沒有重大的影響。


       時序詳解：


　　CPOL：時鐘極性選擇，為0時SPI總線空閑為低電平，為1時SPI總線空閑為高電平


　　CPHA：時鐘相位選擇，為0時在SCK第一個跳變沿采樣，為1時在SCK第二個跳變沿采樣


　　工作方式1：


　　當CPHA=0、CPOL=0時SPI總線工作在方式1。MISO引腳上的數據在第一個SPSCK沿跳變之前已經上線了，而為了保證正確傳輸，MOSI引腳的MSB位必須與SPSCK的第一個邊沿同步，在SPI傳輸過程中，首先將數據上線，然后在同步時鐘信號的上升沿時，SPI的接收方捕捉位信號，在時鐘信號的一個周期結束時（下降沿），下一位數據信號上線，再重復上述過程，直到一個字節的8位信號傳輸結束。


　　工作方式2：


　　當CPHA=0、CPOL=1時SPI總線工作在方式2。與前者唯一不同之處只是在同步時鐘信號的下降沿時捕捉位信號，上升沿時下一位數據上線。


　　工作方式3：


　　當CPHA=1、CPOL=0時SPI總線工作在方式3。MISO引腳和MOSI引腳上的數據的MSB位必須與SPSCK的第一個邊沿同步，在SPI傳輸過程中，在同步時鐘信號周期開始時（上升沿）數據上線，然后在同步時鐘信號的下降沿時，SPI的接收方捕捉位信號，在時鐘信號的一個周期結束時（上升沿），下一位數據信號上線，再重復上述過程，直到一個字節的8位信號傳輸結束。


　　工作方式4：


　　當CPHA=1、CPOL=1時SPI總線工作在方式4。與前者唯一不同之處只是在同步時鐘信號的上升沿時捕捉位信號，下降沿時下一位數據上線。


4種工作模式波形時序如下圖：






4.協議心得


SPI接口時鐘配置心得：


　　在主設備這邊配置SPI接口時鐘的時候一定要弄清楚從設備的時鐘要求，因為主設備這邊的時鐘極性和相位都是以從設備為基準的。因此在時鐘極性的配置上一定要搞清楚從設備是在時鐘的上升沿還是下降沿接收數據，是在時鐘的下降沿還是上升沿輸出數據。但要注意的是，由于主設備的SDO連接從設備的SDI，從設備的SDO連接主設備的SDI，從設備SDI接收的數據是主設備的SDO發送過來的，主設備SDI接收的數據是從設備SDO發送過來的，所以主設備這邊SPI時鐘極性的配置（即SDO的配置）跟從設備的SDI接收數據的極性是相反的，跟從設備SDO發送數據的極性是相同的。下面這段話是Sychip Wlan8100 Module Spec上說的，充分說明了時鐘極性是如何配置的：


The 81xx module will always input data bits at the rising edge of the clock, and the host will always output data bits on the falling edge of the clock.


意思是：主設備在時鐘的下降沿發送數據，從設備在時鐘的上升沿接收數據。因此主設備這邊SPI時鐘極性應該配置為下降沿有效。


又如，下面這段話是摘自LCD Driver IC SSD1289：


SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.


意思是：從設備SSD1289在時鐘的上升沿接收數據，而且是按照從高位到地位的順序接收數據的。因此主設備的SPI時鐘極性同樣應該配置為下降沿有效。


時鐘極性和相位配置正確后，數據才能夠被準確的發送和接收, 因此應該對照從設備的SPI接口時序或者Spec文檔說明來正確配置主設備的時鐘。