协议_SPI协议

什么是SPI:

SPI就是串行外设接口,是一种全双工同步通信。

SPI接线:

SPI具有CS、SCK、MISO、MOSI这四根线。SPI的通信是通过CS线进行片选,SCK、MISO、MOSI这三根线都是总线。

  • CS:片选信号,由主设备控制,在下图中为SS。低电平有效,代表与该芯片进行通信。
  • SCK:时钟信号,由主设备产生。
  • MISO:主机输入,从机输出。
  • MOSI:主机输出,从机输入。

SPI工作模式:

SPI的工作模式主要区分的是 "SCK的初始电平" 与 "数据采样的边沿类型" 。

  • 时钟极性(CPOL)就是描述没有数据传输时,时钟线的空闲状态电平,对应的就是SCK的初始电平。0代表空闲时为低电平,1代表空闲时为高电平。
  • 时钟相位(CPHA)就是时钟线在第几个边沿采样数据,对应的就是数据采样的边沿类型。0代表奇数边沿采样、1代表偶数边沿采样。
SPI模式CPOLCPHASCK的初始电平数据采样的边沿类型
000低电平上升沿
101低电平下降沿
210高电平下降沿
311高电平上升沿

模式0的时序图分析: 

因为是模式0,所以CPOL、CPHA的值为00,代表CLK的初始电平为低电平,采样为奇数边沿,也就是上升沿。因此数据为黄线所标注的数据。

### SPI通信协议详解 #### 一、SPI通信协议概述 SPI(Serial Peripheral Interface)是一种同步、串行、全双工的通信接口,主要用于微控制与其他外围设备之间的数据交换。它支持主从模式下的高效数据传输,并具有较高的灵活性速度,通常可达到几十兆比特每秒甚至更高[^2]。 SPI的核心特性包括以下几个方面: - **同步通信**:依赖于时钟信号进行数据同步。 - **全双工通信**:能够在同一时间发送接收数据。 - **主从架构**:一个主设备可以连接多个从设备,通过片选信号(CS/SS)来选择目标设备[^1]。 #### 二、SPI通信结构 SPI通信的基本组成包括四条主要信号线: - SCLK(Serial Clock):由主设备产生的时钟信号,用于协调数据传输速率。 - MOSI(Master Out Slave In):主设备向从设备发送数据的通道。 - MISO(Master In Slave Out):从设备向主设备发送数据的通道。 - CS/SS(Chip Select / Slave Select):片选信号,用于激活特定的从设备[^2]。 在某些简单应用场景下,MOSI MISO 可能会被合并成一条双向的数据线,但这会牺牲部分性能。 #### 三、SPI的工作机制 SPI通信的关键在于其工作方式的高度可控性灵活性。以下是几个重要特点: - 主设备负责提供时钟信号并控制通信过程中的所有操作。 - 数据传输的方向可以通过配置寄存或硬件设置决定。 - 不同设备可能有不同的时序要求,例如 CPOL(Clock Polarity)定义了时钟空闲状态是高还是低,而 CPHA(Clock Phase)决定了采样时刻是在时钟的第一个边沿还是第二个边沿[^3]。 这种灵活的配置使得 SPI 能够适配多种不同的外设需求。 #### 四、FPGA上的SPI实现 在 FPGA 中实现 SPI 协议涉及硬件描述语言(HDL),如 Verilog 或 VHDL 编逻辑模块。下面是一个简单的 SPI 控制设计框架: ##### 1. 参数化时钟分频 为了生成适合的目标外设所需的 SCLK 频率,需要对输入时钟进行分频处理。以下是一段伪代码示例: ```verilog always @(posedge clk or negedge reset_n) begin if (!reset_n) begin sclk_counter <= 0; spi_sclk <= 1'b0; // 默认时钟极性 end else begin if (sclk_counter == CLK_DIVIDER - 1) begin spi_sclk <= ~spi_sclk; sclk_counter <= 0; end else begin sclk_counter <= sclk_counter + 1; end end end ``` ##### 2. 数据移位单元 利用移位寄存完成数据的逐位发送与接收功能。这里展示了一个基本的移位逻辑片段: ```verilog reg [7:0] shift_reg; always @(posedge spi_sclk) begin if (~cs_n) begin shift_reg <= {shift_reg[6:0], miso}; end end ``` 完整的 SPI 实现还需要考虑更多的细节,比如错误检测、中断请求等功能扩展。 #### 五、实际应用案例 SPI 广泛应用于各类嵌入式系统中,具体实例包括但不限于: - 连接 ADC/DAC 设备采集模拟量信号。 - 访问外部存储芯片(如 Flash Memory, EEPROM 等)以保存程序参数或固件更新文件[^1]。 - 显示驱动电路通讯,例如 LCD 屏幕刷新显示内容。 --- ###
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