SPI详解

SPI总线
  MOTOROLA公司的SPI总线的基本信号线为3根传输线,即SI、SO、SCK。传输的速率由时钟信号SCK决定,SI为数据输入、SO为数据输出。采用SPI总线的系统如图8-27所示,它包含了一个主片和多个从片,主片通过发出片选信号-CS来控制对哪个从片进行通信,当某个从片的-CS信号有效时,能通过SI接收指令、数据,并通过SO发回数据。而未被选中的从片的SO端处于高阻状态。
SPI总线 通俗易懂讲解
图8-27 SPI总线的系统

  主片在访问某一从片时,必须使该从片的片选信号有效;主片在SCK信号的同步下,通过SI线发出指令、地址信息;如需将数据输出,则接着写指令,由SCK同步在SI线上发出数据;如需读回数据,则接着读指令,由主片发出SCK,从片根据SCK的节拍通过SO发回数据。
  因而对具有SPI接口的从片器件来讲,SCK、SI是输入信号,SO是输出信号。SCK用于主片和从片通信的同步。SI用于将信息传输到器件,输入的信息包括指令、地址和数据,指令、地址和数据的变化在SCK的低电平期间进行,并由SCK信号的上升沿锁存。SO用于将信息从器件传出,传出的信息包括状态和数据,信息在SCK信号的下降沿移出。
  Microchip公司的25XX系列的串行E2PROM采用了SPI总线,该系列器件的性能如表8-2所示。
表8-2 Microchip公司的25XX系列的串行E2PROM
型号
25XX040
25XX080
25XX160
25XX320
容量
4K
512 X 8bit
8K
(1024 X 8bit)
16K
(4096 X 8bit)
32K
(4096 X 8bit)
地址信号
A0~A8
A0~A9
A0~A10
A0~A11

  以25XX320为例,该器件是4K字节的E2PROM,结构如图8-28所示,接口信号为SCK、SI和SO,此外还具有-CS、-WP、-HOLD信号线。其中-CS为器件选中信号,当此信号为低电平时器件被选中,高电平时器件处于等待状态。
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图8-28 25XX320的结构

  与并行接口电路不同的是,在并行接口电路中对器件进行操作的控制信号,在串行接口电路中只能用指令实现,25XX320的操作指令有数据读指令、写操作的允许和禁止指令、写数据指令和状态寄存器的读写指令。在器件的内部有一个8位的指令寄存器,在SCK的上升沿,通过SI信号线,指令输入到上述寄存器并被执行。
表8-3 25系列串行存储器的指令
指令名称
指令格式
描述
READ
00000011
从选定的地址开始读存储器数据
WRITE
00000010
从选定的地址开始写存储器数据
WRDI
00000100
禁止写操作
WREN
00000110
允许写操作
RDSR
00000101
读状态寄存器
WRSR
00000001
写状态寄存器

  器件的读操作时序如图8-29所示。当-CS信号有效时,在SCK信号的同步下,8位的读指令送入器件,接着送入16位地址(由于25XX320只使用地址信号A0~A11,地址的高4位无效)。在读指令和地址发出后,SCK继续发出时钟信号,此时存储在该地址的数据由SCK控制从SO引脚移出。在每个数据移出后,内部的地址指针自动加1,如继续对器件发送SCK信号,可读出下一个数据。当地址指针计到0FFFH之后,将回到0000H。读操作的结束由-CS信号变高实现。
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图8-29 25系列串行存储器的读时序

  25XX系列的串行EEPROM的写操作通过写允许及禁止指令控制,写操作必须在器件处于写允许状态时进行。
  写允许及禁止指令均为8位的指令,指令的操作过程为:将-CS信号置为低电平,在SCK信号的作用下,通过SI引脚输入上述指令,在8位的指令送入器件之后,将-CS信号置为高电平,使器件锁存于写允许或写禁止状态。如在输入写允许指令后未将-CS信号置为高电平,则写允许状态未锁存,此时如直接进行写操作,数据将不能写入存储器。在上电、写禁止指令、写状态寄存器指令、写数据指令执行之后,器件的写允许状态将被复位,即处于写禁止状态。
  写操作通常在写允许指令之后进行,其时序如图8-30所示。在写允许状态锁存后,将-CS变高;再将-CS变低,在SCK的同步下输入写操作指令并送入16位地址,紧接着发送需写入的数据,写入的数据一次最多可达32个,但必须保证在同一页内。一页数据的地址从XXXXXXXX XXX0 0000 开始,到XXXX XXXX XXX1 1111结束,当内部的地址指针计数器达到XXXX XXXX XXX11111后,继续发送时钟信号将使地址计数器回复到该页的第一个地址,即XXXX XXXX XXX0 0000H。
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图8-30 25系列串行存储器的写时序

  为了使数据有效写入,-CS信号只能在写入数据的最后一个字节的最低位写入后变高。如-CS信号在其他时间变高,将无法保证数据的完整写入。在写操作的过程中,能通过读状态指令将状态寄存器的内容读回,当写操作完成后,写允许锁存状态将被复位。
优缺点
SPI接口具有如下
优点:
     1) 支持全双工操作;
     2) 操作简单;
     3) 数据传输速率较高。
缺点:
     1) 需要占用主机较多的口线(每个从机都需要一根片选线);
     2) 只支持单个主机。    
     3) 没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。


如果还是看不懂,那就再通俗点。


SPI总线协议介绍


一、技术性能
SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口,采用主从模式(MasterSlave)架构;支持多slave模式应用,一般仅支持单Master。时钟由Master控制,在时钟移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,低位在后(MSBfirst);SPI接口有2根单向数据线,为全双工通信,目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。总线结构如下图所示。
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二、接口定义
SPI接口共有4根信号线,分别是:设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。
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(1)MOSI:主器件数据输出,从器件数据输入
(2)MISO:主器件数据输入,从器件数据输出
(3)SCLK:时钟信号,由主器件产生
(4)/SS:从器件使能信号,由主器件控制
三、内部结构
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四、 时钟极性和时钟相位
在SPI操作中,最重要的两项设置就是时钟极性(CPOL或UCCKPL)和时钟相位(CPHA或UCCKPH)。时钟极性设置时钟空闲时的电平,时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。
主机和从机的发送数据是同时完成的,两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信,应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。


       SPI接口时钟配置心得:在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求,因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据,是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。

五、传输时序
SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如下图所示,在SCLK的下降沿上数据改变,上升沿一位数据被存入移位寄存器。
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五、数据传输
       在一个SPI时钟周期内,会完成如下操作:
1)主机通过MOSI线发送1位数据,从机通过该线读取这1位数据;
2)从机通过MISO线发送1位数据,主机通过该线读取这1位数据。
这是通过移位寄存器来实现的。如下图所示,主机和从机各有一个移位寄存器,且二者连接成环。随着时钟脉冲,数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器,并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时,相当于完成了两个寄存器内容的交换。
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<think>首先,用户要求使用中文回答问题。主题是“spi详解”,所以我需要用中文详细解释SPI(Serial Peripheral Interface)。 SPI是一种串行通信协议,常用于微控制器和外设之间的通信,如传感器、存储器等。我需要涵盖其基本概念、工作原理、优缺点等。 关键点: - **全称**:Serial Peripheral Interface(串行外设接口) - **特点**:全双工、同步通信、主从模式 - **信号线**: - SCLK:串行时钟(由主机提供) - MOSI:主机输出,从机输入 - MISO:主机输入,从机输出 - SS/CS:片选信号(选择从机) - **工作方式**:主机控制时钟,数据在时钟边沿传输。 - **模式**:有四种模式,取决于时钟极性和相位(CPOL和CPHA)。 - **优势**:高速、简单、无起始/停止位。 - **劣势**:需要更多引脚、无错误检测。 回答结构: 1. 介绍SPI是什么。 2. 解释核心组件和信号。 3. 描述数据传输过程。 4. 讨论模式(CPOL和CPHA)。 5. 优缺点。 6. 应用场景。 在回答末尾,我必须添加“§§相关问题§§”,然后列出3-5个相关问题。这些问题要基于用户的问题和我的回答。 相关问题示例: 1. SPI与其他协议(如I2C、UART)的区别是什么? 2. 如何在实际项目中使用SPI? 3. SPI的四种模式如何影响通信? 4. SPI在嵌入式系统中的应用案例? 5. 如何解决SPI通信中的常见问题? 确保输出格式: - 回答内容用中文。 - 结束时输出“§§相关问题§§”,然后直接列出问题(1. ... 2. ... 3. ...)。 - 不要换行分散;问题列表要紧凑。 完整输出: - 先写回答。 - 然后“§§相关问题§§” - 接着问题列表。 现在,构建回答。</think>### SPI详解 SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)是一种同步串行通信协议,广泛用于嵌入式系统和微控制器中,以实现主设备(如微处理器)与从设备(如传感器、存储器芯片)之间的高速数据交换。它由Motorola公司开发,具有全双工通信能力,支持主从模式。以下是SPI的核心内容: #### 1. **基本组成** - **信号线**: - **SCLK**(Serial Clock):时钟信号,由主机提供,控制数据传输速率。 - **MOSI**(Master Out Slave In):主机输出、从机输入数据线。 - **MISO**(Master In Slave Out):主机输入、从机输出数据线。 - **SS/CS**(Slave Select/Chip Select):片选信号,由主机控制,用于选择特定从机(允许多个从机共享同一总线)。 - 典型连接:一个主机可连接多个从机,但每个从机需要独立的SS线。 #### 2. **工作原理** - **同步通信**:数据传输基于SCLK时钟信号,主机在时钟边沿(上升沿或下降沿)触发数据采样。 - **全双工传输**:数据同时在MOSI和MISO线上传输,主机发送数据给从机的同时接收从机数据。 - **传输过程**: 1. 主机拉低目标从机的SS线,激活通信。 2. 主机生成SCLK信号,并在每个时钟周期通过MOSI发送一位数据。 3. 从机在同步的时钟边沿通过MISO返回数据。 4. 传输完成后,主机拉高SS线释放从机。 - **数据帧**:通常以8位或16位为单位传输,无起始/停止位,效率高。 #### 3. **模式配置** SPI有四种工作模式,由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)决定: - **CPOL**:时钟空闲状态(0为低电平,1为高电平)。 - **CPHA**:数据采样时机(0为第一个时钟边沿采样,1为第二个时钟边沿采样)。 - **模式表**: | 模式 | CPOL | CPHA | 描述 | |------|------|------|------| | 0 | 0 | 0 | 时钟空闲低电平,数据在上升沿采样 | | 1 | 0 | 1 | 时钟空闲低电平,数据在下降沿采样 | | 2 | 1 | 0 | 时钟空闲高电平,数据在下降沿采样 | | 3 | 1 | 1 | 时钟空闲高电平,数据在上升沿采样 | - 设备必须配置相同模式才能通信。 #### 4. **优缺点** - **优点**: - 高速传输:速率可达MHz级别(如10-100MHz),远高于I2C。 - 简单高效:无复杂协议开销,支持全双工。 - 灵活性:可自定义数据帧长度和时钟频率。 - **缺点**: - 引脚占用多:每个从机需独立SS线,限制多设备扩展。 - 无错误检测:缺乏内置机制(如CRC),易受干扰。 - 主从依赖:从机无法主动发起通信。 #### 5. **应用场景** - 常见于SD卡、OLED显示屏、温度传感器(如DS18B20)、Flash存储器(如W25Q系列)等。 - 示例代码(Python伪代码,模拟SPI通信逻辑): ```python def spi_transfer(host_data, mode=0): # 初始化SPI设置(简化版) cpol = mode >> 1 # 提取CPOL cpha = mode & 1 # 提取CPHA # 模拟数据传输 miso_data = 0 for bit in range(8): # 根据模式生成时钟边沿 if cpha == 0: # 第一个边沿采样 miso_bit = read_miso() # 读取从机数据 # 主机发送数据位 set_mosi((host_data >> bit) & 1) toggle_sclk() # 切换时钟 if cpha == 1: # 第二个边沿采样 miso_bit = read_miso() miso_data |= (miso_bit << bit) return miso_data # 返回从机数据 ``` SPI是嵌入式开发的基础协议,理解其机制有助于高效设计硬件接口。
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