SPI總線測試和分析

1、SPI總線簡介
SPI(Serial Peripheral Interface--串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息，20世紀(jì)80年代由Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM,FLASH,實(shí)時(shí)時(shí)鐘,AD轉(zhuǎn)換器,還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCLK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。其主要特點(diǎn)包括：可以同時(shí)發(fā)出和接受串行數(shù)據(jù)；可以作為主機(jī)或叢機(jī)工作；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；寫沖突保護(hù)；總線競爭保護(hù)。圖1是 SPI總線架構(gòu)示意圖。

圖1 SPI 總線架構(gòu)
SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由SS(CS)、SCK、SDI、SDO組成，在主設(shè)備和從設(shè)備之間雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，最高速率可達(dá)5Mbps。由SS（CS）信號來選定與主設(shè)備通信的從設(shè)備，所以在某時(shí)間點(diǎn)內(nèi)主設(shè)備與從設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，其好處是不需要進(jìn)行尋址操作。SPI共有4種工作模式，SP0、SP1、SP2、SP3，其中比較常用的是SP0、SP3。SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。圖2是SPI 總線4種工作模式時(shí)的SCK示意。

圖2 SPI總線4種工作模式示意
SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其主要工作時(shí)序是在SCK的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
假設(shè)下面的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。
那么第一個(gè)上升沿來的時(shí)候 數(shù)據(jù)將會是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來的時(shí)候，sdi上的電平將鎖存到寄存器中去，那么這時(shí)寄存器=0101010sdi，這樣在8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，兩個(gè)寄存器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成里一個(gè)spi時(shí)序。
例子：
假設(shè)主機(jī)和從機(jī)初始化就緒：并且主機(jī)的sbuff=0xaa，從機(jī)的sbuff=0x55，下面將分步對spi的8個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍:假設(shè)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)

脈沖 主機(jī)sbuff 從機(jī)sbuff sdi sdo
0 10101010 01010101 0 0
1上 0101010x 1010101x 0 1
1下 01010100 10101011 0 1
2上 1010100x 0101011x 1 0
2下 10101001 01010110 1 0
3上 0101001x 1010110x 0 1
3下 01010010 10101101 0 1
4上 1010010x 0101101x 1 0
4下 10100101 01011010 1 0
5上 0100101x 1011010x 0 1
5下 01001010 10110101 0 1
6上 1001010x 0110101x 1 0
6下 10010101 01101010 1 0
7上 0010101x 1101010x 0 1
7下 00101010 11010101 0 1
8上 0101010x 1010101x 1 0
8下 01010101 10101010 1 0

這樣就完成了兩個(gè)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(jī)而言的。其中ss引腳作為主機(jī)的時(shí)候，從機(jī)可以把它拉低選為從機(jī)，作為從機(jī)的是時(shí)候，可以作為片選腳用。根據(jù)以上分析，一個(gè)完整的傳送周期是16位，即兩個(gè)字節(jié)，因?yàn)?，首先主機(jī)要發(fā)送命令過去，然后從機(jī)根據(jù)主機(jī)的名準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，主機(jī)在下一個(gè)8位時(shí)鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來