SPI协议详解

一、SPI简介

SPI（Serial Peripheral interface）是由摩托罗拉公司定义的一种串行外围设备接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线，只需要四根信号线即可，节约引脚，同时有利于PCB的布局。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了SPI通信协议，如FLASH、AD转换器等。SPI的通信原理比较简单，它以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或多个从设备。

二、SPI接口

SPI通信需要四根线，分别为SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MOSI和SPI_MISO。其中SPI_CS、SPI_CLK和SPI_MOSI由主机输出给从机，而SPI_MISO由从机输出给主机。

  • SPI_CS用于控制芯片是否被选中，也就是说只有片选信号有效时，对芯片的操作才有效；
  • SPI_CLK是由主机产生的同步时钟，用于同步数据；
  • SPI_MOSI和SPI_MISO是主机发送和接收的数据脚。

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三、SPI工作模式

一般而言，SPI通信有4种不同的模式，不同的从设备在出厂时被厂家配置为其中一种模式，模式是不允许用户修改的。主设备和从设备必须在同一模式下进行通信，否则数据会接收错误。

SPI的通信模式是由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来决定的，四种通信模式如下：

  • 模式0：CPOL = 0，CPHA = 0；
  • 模式1：CPOL = 0，CPHA = 1；
  • 模式2：CPOL = 1，CPHA = 0；
  • 模式3：CPOL = 1，CPHA = 1。

1、CPOL控制着SPI_CLK的时钟极性，时钟极性变化如下图所示：
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由上图可知，当CPOL = 1时，SPI_CLK在空闲时为高电平，发起通信后的第一个时钟沿为下降沿；CPOL = 0时，SPI时钟信号SPI_CLK空闲时为低电平，发起通信后的第一个时钟沿为上升沿。

2、CPHA用于控制数据与时钟的对齐模式，其不同模式下的时序图如下图所示：
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由上图可知，当CPHA = 1时，时钟的第一个变化沿（上升沿或者下降沿）数据开始改变，那么也就意味着时钟的第2个变化沿（与第一个变化沿相反）锁存数据；当CPHA = 0时，数据在时钟的第一个变化沿之前就已经改变，并且保持稳定，也就意味着在时钟的第一个变化沿锁存数据。

下面是四种模式下的时序图：
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  • CPOL和CPHA都为' 0 '(定义为模式0)，则在时钟的前上升沿采样数据。目前,模式0是SPI总线通信最常见的模式。
  • CPOL为' 1 '，CPHA为' 0 '(模式2)，则在时钟的前降边缘采样数据。
  • CPOL = ' 0 '和CPHA = ' 1 '(Mode 1)在尾降边缘采样。
  • CPOL = ' 1 '和CPHA = ' 1 '(Mode 3)在尾升边缘采样。

四、SPI总线事务

1、简单SPI写事务

大多数SPI闪存都有一个写状态寄存器命令，用于写入一个或两个字节的数据，如下图所示。要写入状态寄存器，SPI主机首先启用当前器件的从选择线。然后，主设备输出适当的指令，后跟两个数据字节，用于定义预期的状态寄存器内容。由于事务不需要返回任何数据，因此从设备将MISO线保持在高阻抗状态，并且主设备屏蔽任何输入数据。最后，从机选择信号被取消以结束事务。

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2、简单SPI读事务

状态寄存器读取事务与写入事务类似，但现在利用从器件返回的数据，如下图所示。在发送读取状态寄存器指令后，从器件开始以MISO线路传输数据，数率为每八个时钟周期一个字节。主机接收比特流并通过取消SS信号来完成事务。

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五、多从机模式

该部分内容来自：https://great.blog.csdn.net/article/details/109460814

前面说到SPI总线必须有一个主机，可以有多个从机，那么具体连接到SPI总线的方法有以下两种：

1、第一种方法：多NSS

  • 通常，每个从机都需要一条单独的SS线。
  • 如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他NSS信号线的状态为高电平；如果同时将两个NSS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

具体连接方式如下图所示：
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2、第二种方法：菊花链

在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一 个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。

  • 菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；
  • 另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况；

具体的连接如下图所示：
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所以最终的数据流向图可以表示为：
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六、SPI优缺点

1、SPI通讯的优势

  • 全双工串行通信；
  • 高速数据传输速率；
  • 简单的软件配置；
  • 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
  • 非常简单的硬件结构；从站不需要唯一地址（与I2C不同）；从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）；不需要收发器（与CAN不同）。

2、SPI的缺点

  • 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
  • 通常仅支持一个主设备；
  • 需要更多的引脚（与I2C不同）；
  • 没有定义硬件级别的错误检查协议；
  • 与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；
posted @ 2021-01-26 10:07  耐心的小黑  阅读(1329)  评论(0)  编辑  收藏  举报