基礎(chǔ)知識之SPI總線

SPI(Serial Peripheral Interface - 同步外設(shè)接口)總線是一種用于短距離通信（主要是嵌入式系統(tǒng)中）的同步串行通信接口規(guī)范，雖然沒有正式的國際標(biāo)準(zhǔn)，但這種接口協(xié)議由Motorola發(fā)明迄今經(jīng)過很多廠商的支持，已經(jīng)成了一種事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛用于各種MCU處理器中，同傳感器，串行ADC、DAC、存儲器、SD卡以及LCD等進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。由于沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，SPI出現(xiàn)了很多不同的協(xié)議選項(xiàng)，例如不同的Word大??；每個設(shè)備都有自己的協(xié)議定義，包括是否支持命令；有些設(shè)備只發(fā)送，其它的則只是接收；有的片選是高有效，有的則是低有效；有的協(xié)議先發(fā)送最低位。

多個SPI設(shè)備可以通過全雙工的模式同單一的Master以主、從結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信。主、設(shè)備發(fā)起讀、寫，多個從設(shè)備通過獨(dú)立的片選信號（SS - Slave Select）被尋址。

有時SPI也被稱為四線串行總線，主要是與3線、2線、1線串行總線進(jìn)行區(qū)分，雖然SPI可以準(zhǔn)確地描述為一個同步串行接口，但它與同步串行接口（SSI）協(xié)議還是不同的，SSI同樣也是一種4線同步串行通信協(xié)議，但SSI采用的是差分信號，且只提供了一個簡單的通信信道。

SPI總線定義了4個邏輯信號:

• SCLK: 串行時鐘(由主設(shè)備輸出).
• MOSI: 主輸出、從輸入(由主設(shè)備輸出).
• MISO: 主輸入、從輸出(由從設(shè)備輸出).
• SS: 從設(shè)備選中(低有效, 由主設(shè)備輸出).

SPI端口管腳的名字也有其它的叫法，不同的芯片公司叫法不同，比如:

• 串行輸出: SCLK : SCK, CLK.
• 主輸出 –> 從輸入: MOSI : SIMO, SDI(對于“從”設(shè)備), DI, DIN, SI, MTST.
• 主輸入 ←- 從輸出: –> MISO : SOMI, SDO (對于“從”設(shè)備), DO, DOUT, SO, MRSR.
• 從選擇: SS : nCS, CS, CSB, CSN, EN, nSS, STE, SYNC.

SPI總線可以工作在一個主設(shè)備／一個或多個從設(shè)備的模式。 如果只有一個從設(shè)備，SS管腳可以直接接地（從設(shè)備允許的話），有些從設(shè)備需要片選信號的下降沿來啟動傳輸，一個例子就是美信公司的串行ADC MAX1242，通過一個高電平到低電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)記傳輸?shù)钠鹗?。如果有多個從設(shè)備，每個從設(shè)備需要一個獨(dú)立的SS信號連接到主設(shè)備。

多數(shù)從設(shè)備的輸出是三態(tài)的，當(dāng)該從設(shè)備沒有被選中的時候它們的MISO信號就為高阻（邏輯上斷開連接）。不具有三態(tài)輸出的器件是不能同其它器件共享SPI總線部分的，只能是一個從設(shè)備跟主設(shè)備相連。

在標(biāo)準(zhǔn)的SPI配置中，主設(shè)備可以通過使能相應(yīng)的從設(shè)備，即通過將相應(yīng)設(shè)備的從選擇線（SSN或SS）設(shè)置為邏輯低電平，通過共享的公共數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)寫入各個從設(shè)備或由各個從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。 應(yīng)注意不要同時使能多個從設(shè)備，因?yàn)榉祷氐街髟O(shè)備的數(shù)據(jù)將在MISO線路之間的驅(qū)動器上產(chǎn)生競爭導(dǎo)致無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的判讀。在某些應(yīng)用中不需要將數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備，在這種情況下，如果主設(shè)備想要將相同的數(shù)據(jù)發(fā)送到多個從設(shè)備，則可以同時尋址多個從設(shè)備。

在多從設(shè)備選擇配置中，每個從設(shè)備都需要來自主設(shè)備的唯一從設(shè)備選擇線（SS、SSN或CSn）。如果主設(shè)備沒有足夠的I/O引腳用于所需數(shù)量的從設(shè)備，則使用解碼/解復(fù)用器（例如74HC(T)238(3到8線)來實(shí)現(xiàn)I/O擴(kuò)展）。

在這種配置中，數(shù)據(jù)從一個設(shè)備移動到下一個設(shè)備， 最終的從設(shè)備可以將數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備（給FPGA編程的JTAG在給多個器件編程的時候也常用這種方式）。

在菊花鏈配置中，所有從設(shè)備共享一條公共的從選擇線（SS）。 數(shù)據(jù)從主設(shè)備傳輸?shù)降谝粋€從設(shè)備，然后從第一個從設(shè)備傳輸?shù)降诙€從設(shè)備，依此下去，數(shù)據(jù)沿著線路級聯(lián)，直到系列中的最后一個從設(shè)備，最后的一個從設(shè)備使用其MISO線路將數(shù)據(jù)傳送到主設(shè)備。

這種配置非常適合于主設(shè)備的信號引腳有限的場景。

每次數(shù)據(jù)傳輸都是先將SSN（有的器件命名為SS，從選擇線）被驅(qū)動為邏輯低電平時開始。由時鐘的極性（CPOL）和相位（CPHA）構(gòu)成了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式（0,1,2,3），分別對應(yīng)四種可能的時鐘配置。

• CPOL: 時鐘的極性，它控制著時鐘信號的初始邏輯狀態(tài)。
• CPHA: 時鐘相位，它控制了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和時鐘轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系。

具有非反相時鐘極性（即，當(dāng)從器件選擇轉(zhuǎn)換為邏輯低時，時鐘處于邏輯低電平）：

• 模式0：配置時鐘相位使得數(shù)據(jù)在時鐘脈沖的上升沿采樣，并在時鐘脈沖的下降沿移出。 這對應(yīng)于上圖中的第一個藍(lán)色時鐘軌跡。 請注意，數(shù)據(jù)必須在時鐘的第一個上升沿之前可用。
• 模式1：配置時鐘相位使得數(shù)據(jù)在時鐘脈沖的下降沿采樣，并在時鐘脈沖的上升沿移出。 這對應(yīng)于上圖中的第二個藍(lán)色時鐘軌跡。

使用反相時鐘極性（即，當(dāng)從器件選擇轉(zhuǎn)換為邏輯低時，時鐘處于邏輯高電平）：

• 模式2：配置時鐘相位，使得數(shù)據(jù)在時鐘脈沖的下降沿采樣，并在時鐘脈沖的上升沿移出。 這對應(yīng)于上圖中的第一個橙色時鐘軌跡。 請注意，數(shù)據(jù)必須在時鐘的第一個下降沿之前可用。
• 模式3：配置時鐘相位，使得數(shù)據(jù)在時鐘脈沖的上升沿采樣，并在時鐘脈沖的下降沿移出。 這對應(yīng)于上圖中的第二個橙色時鐘軌跡。

由于主設(shè)備一般為可以編程各種模式的控制器/處理器或者可以靈活編程的FPGA，因此在使用SPI連接的時候要認(rèn)真閱讀自己選用的從設(shè)備的工作模式，以便在時序上滿足傳輸?shù)囊蟆?/span>

以下是一段主設(shè)備工作于CPOL=0、CPHA=0模式時的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a，每次傳輸為8位，此示例采用C語言。由于工作于CPOL=0， 在片選被選中之前要把時鐘拉低，片選信號必須使能，也就是說在數(shù)據(jù)傳輸之前要將外設(shè)的片選信號電平變低，并在傳輸結(jié)束以后不再“使能”。 多數(shù)的外設(shè)允許或需要在片選信號選中以后進(jìn)行多次傳輸，次子程序也許需要被多次調(diào)用。

/*
 * Simultaneously transmit and receive a byte on the SPI.
 *
 * Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
 *   - input data is captured on rising edge of SCLK.
 *   - output data is propagated on falling edge of SCLK.
 *
 * Returns the received byte.
 */uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out){
    uint8_t byte_in = 0;
    uint8_t bit;     for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {
        /* Shift-out a bit to the MOSI line */
        write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);         /* Delay for at least the peer's setup time */
        delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);         /* Pull the clock line high */
        write_SCLK(HIGH);         /* Shift-in a bit from the MISO line */
        if (read_MISO() == HIGH)
            byte_in |= bit;         /* Delay for at least the peer's hold time */
        delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);         /* Pull the clock line low */
        write_SCLK(LOW);
    }     return byte_in;}

• 支持全雙工通信
• 推挽驅(qū)動(跟漏極開路正相反)提供了比較好的信號完整性和較高的速度
• 比I2C或SMBus吞吐率更高
• 協(xié)議非常靈活支持“位”傳輸
• 不僅限于8-bit一個字節(jié)的傳輸
• 可任意選擇的信息大小、內(nèi)容、以及用途
• 異常簡單的硬件接口：
• 一般來講比I2C或SMBus需要的功耗更低，因?yàn)樾枰俚碾娐?包括上拉電阻)
• 沒有仲裁機(jī)制或相關(guān)的失效模式
• “從設(shè)備”采用的是“主設(shè)備”的時鐘，不需要精確的晶振
• “從設(shè)備”不需要一個單獨(dú)的地址 — 這點(diǎn)不像I2C或GPIB或SCSI
• 不需要收／發(fā)器
• 在一個IC上只用了4個管腳, 板上走線和布局連接都比并行接口簡單很多
• 每個設(shè)備最多只有一個單獨(dú)的總線信號(片選);其它的都是共享的
• 信號都是單方向的，非常容易進(jìn)行電流隔離
• 對于時鐘的速度沒有上限，有進(jìn)一步提高速度的潛力

• 相比于I2C總線需要更多的管腳, 即便是只用到3根線的情況下
• 沒有尋址機(jī)制，在共享的總線連接時需要通過片選信號支持多個設(shè)備的訪問
• 在從設(shè)備側(cè)沒有硬件流控機(jī)制(主設(shè)備一側(cè)可以通過延遲到下一個時鐘沿以降低傳輸?shù)乃俾?
• 從設(shè)備無法進(jìn)行硬件“應(yīng)答”(主設(shè)備傳送的信息無法確定傳遞到哪里，是否傳遞成功)
• 一般只支持一個主設(shè)備(取決于設(shè)備的硬件構(gòu)成)
• 沒有查錯機(jī)制
• 沒有一個正式的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，無法驗(yàn)證一致性
• 相對于RS-232, RS-485, 或CAN-總線，只能近距離傳輸
• 存在很多的變種，很難能夠找到開發(fā)工具（例如主適配卡）支持這所有的變種
• SPI不支持熱交換(動態(tài)地增加一個節(jié)點(diǎn)).
• 如果想使用“中斷”，只有通過SPI信號以外的其它信號線，或者采用類似USB1.1或2.0中的周期性查詢的欺騙方式
• 有一些變種比如多路I/O SPI和下面定義的三線串行總線都是半雙工的

與并行I/O總線相比，SPI能夠大大節(jié)省電路板的空間，因此在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，對于大多數(shù)片上系統(tǒng)處理器而言都是如此，這些處理器都具有較高端的32位處理器，例如使用ARM、MIPS或PowerPC的處理器以及其它微控制器，如AVR、PIC和MSP430等。 這些芯片通常包括能夠以主模式或從模式運(yùn)行的SPI控制器，也可以使用SPI接口對系統(tǒng)內(nèi)可編程AVR控制器（包括空白控制器）進(jìn)行編程。

基于芯片或FPGA的設(shè)計有時使用SPI在內(nèi)部的組件之間進(jìn)行通信，即便是片內(nèi)，其面積的節(jié)省也像電路板上一樣非常重要。

全雙工功能使SPI非常簡單、高效、適用于單主/單從機(jī)應(yīng)用。 一些設(shè)備使用全雙工模式為數(shù)字音頻、數(shù)字信號處理或電信信道等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高效、快速的數(shù)據(jù)流，但大多數(shù)現(xiàn)成的芯片都采用半雙工請求/響應(yīng)協(xié)議。

SPI被用來同各種外設(shè)通信，例如：

• 傳感器：溫度、壓力、ADC、觸摸屏、視頻游戲控制器
• 控制設(shè)備：音頻編解碼器、數(shù)字電位器、DAC
• 相機(jī)鏡頭：佳能EF鏡頭卡口
• 通信：以太網(wǎng)、USB、USART、CAN、IEEE802.15.4、IEEE 802.11、手持視頻游戲
• 內(nèi)存：閃存和EEPROM
• 實(shí)時時鐘
• LCD，有時甚至用于管理圖像數(shù)據(jù)
• 任何MMC或SD卡（包括SDIO變種）

對于高性能系統(tǒng)，F(xiàn)PGA有時使用SPI作為主機(jī)的從機(jī)接口、作為傳感器的主機(jī)、或者如果它們是基于SRAM的，則用于引導(dǎo)的閃存。

雖然SPI總線和JTAG（IEEE 1149.1-2013）協(xié)議之間存在一些相似之處，但它們不可互換。 SPI總線用于器件外設(shè)的高速、板載初始化，而JTAG協(xié)議旨在通過板外控制器（有著比較低精度的信號延遲和偏斜參數(shù)）提供對I/O引腳的可靠測試訪問。 JTAG協(xié)議不是嚴(yán)格意義上的電平敏感接口，它通過降低時鐘速率或改變時鐘的占空比來支持JTAG器件在建立和保持違規(guī)的情況下能夠恢復(fù)。 因此，JTAG接口不是用來支持極高的數(shù)據(jù)速率的。

有許多使用USB的硬件解決方案可以利用運(yùn)行Linux、Mac或Windows的計算機(jī)支持SPI主控和/或從屬功能。其中許多還提供腳本和/或編程功能（Visual Basic，C / C ++，VHDL等）。

SPI主機(jī)適配器允許用戶直接從PC在SPI總線上扮演主站的角色。它們用于嵌入式系統(tǒng)、芯片（FPGA/ASIC/SoC）和外設(shè)測試、編程和調(diào)試。

SPI適配器的關(guān)鍵參數(shù)包括：串行接口支持的最大頻率、命令到命令延遲以及SPI命令的最大長度。目前市場上可以找到支持高達(dá)100MHz串行接口的SPI適配器，幾乎無限制的訪問長度。

SPI協(xié)議是事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，一些SPI主機(jī)適配器還能夠支持超越傳統(tǒng)4線SPI的其他協(xié)議（例如，支持四SPI協(xié)議或其他源自SPI的定制串行協(xié)議）。

SPI適配器的示例（制造商按字母順序）：

SPI協(xié)議分析儀可以對SPI總線進(jìn)行采樣并對電信號進(jìn)行解碼分析，以提供在特定總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的更高級別視圖。SPI協(xié)議分析儀示例（制造商按字母順序排列）：

每個主要的示波器供應(yīng)商都為SPI提供了基于示波器的觸發(fā)和協(xié)議解碼，大多數(shù)支持2線、3線和4線SPI。 觸發(fā)和解碼功能通常作為可選附件提供。SPI信號可通過模擬示波器通道或數(shù)字MSO通道進(jìn)行訪問。

在開發(fā)和/或排除SPI總線故障時，檢查硬件信號非常重要。 邏輯分析儀是收集、分析、解碼和存儲信號的工具，因此人們可以用它來查看高速波形。 邏輯分析儀顯示每個信號電平變化的時間戳，這有助于發(fā)現(xiàn)協(xié)議問題。大多數(shù)邏輯分析儀都能夠?qū)⒖偩€信號解碼為高級協(xié)議數(shù)據(jù)并顯示ASCII數(shù)據(jù)。