嵌入式硬件通信接口協(xié)議中的串行通信接口-SPI

　　本節(jié)繼續(xù)講嵌入式硬件通信接口協(xié)議中的另外一個(gè)串行通信接口-SPI。相比于UART串口協(xié)議，SPI又有著其獨(dú)特之處。

　　簡(jiǎn)介

　　SPI(全稱SerialPeripheral Interface)，串行外設(shè)接口。

　　SPI是串行外設(shè)接口(SerialPeripheral Interface)的縮寫。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(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，如今越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如AT91RM9200。

　　--from 百度百科

　　該接口由摩托羅拉在20世紀(jì)80年代中期開發(fā)，并已成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　--from Wiki

　　從維基百科查閱的的“事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)”，在這來(lái)科普一下知識(shí)盲點(diǎn)：

　　事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)是指非由標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的，而是由處于技術(shù)領(lǐng)先地位的企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)制定(有的還需行業(yè)聯(lián)盟組織認(rèn)可，如DVD標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng)DVD論壇認(rèn)可)，由市場(chǎng)實(shí)際接納的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　--from 百度百科

　　SPI接口定義了一主多從這樣的一個(gè)通信架構(gòu)，在同一SPI總線上只有一個(gè)主機(jī)，可以有多個(gè)從機(jī)。這樣的架構(gòu)就限制了通信的主動(dòng)權(quán)只能在主機(jī)端，主機(jī)發(fā)起一次通信，從機(jī)做出想要。

　　信號(hào)線

　　SPI被稱為四線串行總線，其信號(hào)線分別有：

　　SCLK：串行時(shí)鐘(主機(jī)輸出)

　　MOSI：主輸出從機(jī)輸入或主機(jī)輸出從機(jī)輸入(主機(jī)輸出的數(shù)據(jù))

　　MISO：主輸入從輸出或主輸入從輸出(從輸出的數(shù)據(jù)輸出)

　　SS：從機(jī)選擇(通常為低電平有效，主機(jī)輸出)

　　信號(hào)線命名也是五花八門，以下的命名也是會(huì)遇見的：

　　串口時(shí)鐘：

　　SCLK：SCK

　　主輸出--->從輸入(MOSI)：

　　SIMO，MTSR - 對(duì)應(yīng)主設(shè)備和從設(shè)備上的MOSI，相互連接

　　SDI，DI，DIN，SI - 在從設(shè)備上; 連接到主設(shè)備上的MOSI，或連接到下面的連接

　　SDO，DO，DOUT，SO - 在主設(shè)備上; 連接到從站上的MOSI，或連接到上面的連接

　　主輸入<---從輸出(MISO)：

　　SOMI，MRST - 對(duì)應(yīng)主設(shè)備和從設(shè)備上的MISO，相互連接

　　SDO，DO，DOUT，SO - 在從設(shè)備上; 連接到主設(shè)備上的MISO，或連接到下面的連接

　　SDI，DI，DIN，SI - 主設(shè)備; 連接到奴隸上的MISO或上面的連接

　　從機(jī)選擇：

　　SS：SSEL，CS，CE，nSS，/ SS，SS#

　　以上容易讓人混淆的名字是SDO、SDI、DOUT、DIN等，這些都需要看具體印在主設(shè)備還是從設(shè)備上單獨(dú)討論。但是一般的還是盡量寫清寫規(guī)范，這樣不容易產(chǎn)生歧義。

　　SPI作為同步串行接口，可以認(rèn)為有兩個(gè)同步信號(hào)，第一個(gè)是從機(jī)選擇SS信號(hào)，告知被選中的從機(jī)，準(zhǔn)備開始進(jìn)行SPI通信，第二個(gè)是同步時(shí)鐘信號(hào)SCLK，收發(fā)雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互時(shí)，都是基于SCLK的跳變進(jìn)行逐bit輸出和采樣的。

　　四根信號(hào)線并非全部都需要，根據(jù)工作模式，可以配置成兩線、三線。

　　在STM32CubeMX工具的配置頁(yè)面，可以很清楚看到，配置不同的工作模式時(shí)，對(duì)應(yīng)被使能的芯片管腳有何不同：

　　對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全雙工的四線和三線的區(qū)別是從機(jī)選擇信號(hào)NSS。這種情況一般是因?yàn)镾PI總線上只有一主一從的通信架構(gòu)，從機(jī)的NSS信號(hào)一直接低電平，不需要做從機(jī)選擇。

　　信號(hào)時(shí)序

　　四線SPI接口的時(shí)序一般的總是先拉低從機(jī)選擇信號(hào)線SS，然后輸出SCLK，帶著數(shù)據(jù)MOSI，此時(shí)MISO為高阻態(tài)。大致如下如：

　　一般有SPI接口的器件，在Spec上都會(huì)有對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖，這里分別截取SPI接口FLASH型號(hào)為GD25Q32C、SPI接口OLED型號(hào)為QG-2832TLBFG04，這兩器件的Spec內(nèi)關(guān)于SPI時(shí)序部分的介紹，如下兩張截圖：

　　對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，時(shí)序圖的規(guī)范，定義了各個(gè)信號(hào)線輸出電平的順序和時(shí)延，還定義了時(shí)鐘信號(hào)跳變沿與數(shù)據(jù)信號(hào)的“對(duì)齊”，這里的“對(duì)齊”實(shí)際上就是數(shù)據(jù)的輸出和采樣。

　　同樣的，這個(gè)時(shí)序規(guī)范了SPI器件所呈現(xiàn)的SPI接口信號(hào)線特性，包括：時(shí)鐘上升、下降沿時(shí)長(zhǎng);片選與時(shí)鐘跳變沿之間的時(shí)延;時(shí)鐘邊緣與數(shù)據(jù)線保持的時(shí)長(zhǎng)…

　　這些時(shí)序特性，都在明確了SPI主機(jī)與其通信時(shí)，要求不超出其定義的范圍，否則從機(jī)器件響應(yīng)不及時(shí)而導(dǎo)致通信異常。

　　不同的器件，對(duì)SPI接口的信號(hào)時(shí)序要求也會(huì)不同。第一張簡(jiǎn)明的時(shí)序圖，而基于這樣的時(shí)序圖，SPI接口又可以配置不同的接口配置參數(shù)。

　　接口配置項(xiàng)

　　一般在開發(fā)時(shí)，接口的可選配置有：接口模式(實(shí)際配置的是單、雙工模式選擇)、設(shè)備主從模式、數(shù)據(jù)寬度、時(shí)鐘極性(CPOL:)、時(shí)鐘相位(CPHA)、時(shí)鐘速率、數(shù)據(jù)bit位大小端選擇。

　　接口模式

　　標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI接口，使用的場(chǎng)景是主從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通信，兩方都有數(shù)據(jù)的收發(fā)過(guò)程，而在LCD/OLED這樣的SPI接口作為從設(shè)備的器件中，就不需要數(shù)據(jù)返回給主機(jī)，只需要接收來(lái)自主機(jī)的控制信息和顯示的數(shù)據(jù)。

　　基于這樣的使用場(chǎng)景，就可以配置成三線的單工通信，即僅需要從機(jī)選擇SS、時(shí)鐘SCLK、數(shù)據(jù)輸出MOSI即可。

　　設(shè)備主從模式

　　這個(gè)配置一般需要看芯片是否支持，可將芯片配置成SPI主機(jī)或者從機(jī)，能更好地集成在項(xiàng)目的系統(tǒng)中。

　　數(shù)據(jù)寬度

　　顧名思義，就是發(fā)送數(shù)據(jù)可以配置成8bit、16bit等，這也是根據(jù)芯片而定。

　　時(shí)鐘極性、時(shí)鐘相位

　　這兩者分別是CPOL(Clock Polarity)、CPHA(Clock Phase)，極性就是指高低電平，這個(gè)定義了SPI總線在空閑狀態(tài)下，時(shí)鐘保持高電平還是低電平，因?yàn)檫@個(gè)關(guān)系到了SPI通信時(shí)第一個(gè)時(shí)鐘跳變沿是上升還是下降沿;相位指的是時(shí)鐘的跳變沿，指定了數(shù)據(jù)信號(hào)的輸出和采樣如何與時(shí)鐘對(duì)齊。

　　這兩個(gè)配置，在Wiki和百度百科上都做了非常清晰的解釋，這里截圖引用如下：

　　時(shí)鐘速率

　　速率選擇定義了時(shí)鐘信號(hào)線在數(shù)據(jù)傳輸是的翻轉(zhuǎn)速率，這體現(xiàn)到每個(gè)芯片定義的接口時(shí)序圖中，即可承受的速率范圍，如果主機(jī)設(shè)的速率太快，而從機(jī)響應(yīng)過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致通信失敗。

　　數(shù)據(jù)bit位大小端選擇

　　數(shù)據(jù)的發(fā)送優(yōu)先bit可配置，從上篇的UART協(xié)議可以知道，UART規(guī)定了數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)bit0，而這個(gè)SPI是可配置優(yōu)先發(fā)送bit的，可設(shè)置最低位或者最高位。

　　從FLASH型號(hào)為GD25Q32和OLED型號(hào)為QG-2832TLBFG04的時(shí)序截圖可看到，這兩個(gè)器件都是優(yōu)先發(fā)MSB，也就是最高位優(yōu)先。

　　再對(duì)比一款字庫(kù)芯片型號(hào)為GT21L16S2W的讀取指令：

　　可見SPI器件普遍采用MSB的發(fā)送優(yōu)先順序。

　　總結(jié)SPI通信接口，一主多從的通信架構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)模式有四根信號(hào)線、依靠選擇信號(hào)SS開始通信、時(shí)鐘信號(hào)SCLK進(jìn)行逐bit輸出和采樣、可配置的采樣時(shí)刻和可選擇的優(yōu)先發(fā)出bit。

　　參考資料：

　　《SPI》@百度百科

　　《SPI》@Wiki