SPI自己理解和疑惑----重点一

本文深入探讨了SPI(Serial Peripheral Interface)协议的工作原理,包括数据的读写过程、时钟同步机制以及数据交换流程。详细解释了SPI在时钟信号上沿或下沿的数据采集与输出,介绍了SPI在点对点通信中的优势以及在多设备系统中的应用。同时,文章对比了SPI与普通串行通信的区别,并指出了SPI协议的优缺点。

1、外设的读写,每一次读的同时需要先写;每一次写操作,也会读到外设的返回的移位寄存器内的数据。不同的SPI设备的实现方式不尽相同,主要是数据改变和采集的时间不同,在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义,具体请参考相关器件的文档

但是像X5045等芯片规定好了,上升沿写下降沿读。

1302读写公用一条读写线

标准的SPI采集和输出不是同一个时钟沿,差半个周期。采集(上升沿)和输出(下降沿)是主从设备同时根据采集和输出的时钟沿进行。

一个周期内的采集和输出与主从设备的读写什么关系?是疑问

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因,由SCK提供时钟脉冲,SDI,SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线,数据在时钟上升沿或下降沿时改变,在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输,输入也使用同样原理。这样,在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次),就可以完成8位数据的传输。

要注意的是,SCK信号线只由主设备控制,从设备不能控制信号线。同样,在一个基于SPI的设备中,至少有一个主控设备。这样传输的特点:这样的传输方式有一个优点,与普通的串行通讯不同,普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据,而SPI允许数据一位一位的传送,甚至允许暂停,因为SCK时钟线由主控设备控制,当没有时钟跳变时,从设备不采集或传送数据。也就是说,主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议:因为SPI的数据输入和输出线独立,所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同,主要是数据改变和采集的时间不同,在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义,具体请参考相关器件的文档。

在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。在多个从设备的系统中,每个从设备需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

最后,SPI接口的一个缺点:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。

二 SPI协议举例

SPI是一个环形总线结构,由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成,其时序其实很简单,主要是在sck的控制下,两个双向移位寄存器进行数据交换。
       假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010,上升沿发送(实际应该是输出【允许数据改变】)、下降沿接收(实际应该是采集)、高位先发送。紧接着随后一篇文章程序实例证明了一个周期两次边沿的含义
       那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1;寄存器=0101010x。(为什么是X,锁存前干扰?)下降沿到来的时候,sdi上的电平将锁存到寄存器中去,那么这时寄存器=0101010sdi,这样在 8个时钟脉冲以后,两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。

举例:
      假设主机和从机初始化就绪:并且主机的sbuff=0xaa,从机的sbuff=0x55,下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据

  

SPI协议简介 - Filter - 涂~墙

图片省略后4位

<think> 嗯,用户问的是I²CSPI协议中上拉电阻的区别问题。之前我已经详细对比过两种协议的核心差异,现在用户特别聚焦在上拉电阻这个具体的技术点上,这说明ta可能在实际电路设计中遇到了问题。 从引用内容来看,用户提供的参考资料非常专业,特别是引用[2][3]直接解释了上拉电阻在I²C中的作用。用户应该是个电子工程师或嵌入式开发者,正在做硬件设计选型。考虑到这个问题涉及物理层电气特性,需要从电路原理层面解释清楚。 用户可能正在调试I²C总线,发现通信稳定,或者看到SPI电路没有上拉电阻产生了疑惑。深层需求可能是想理解两种总线在设计时的底层逻辑差异。这个问题其实揭示了数字电路设计中推挽输出与开漏输出的本质区别。 需要重点讲清楚三个层面:首先是电气结构差异,I²C采用开漏输出必须依赖上拉电阻建立高电平;其次是功能需求,多主设备的仲裁机制需要“线与”功能;最后是电压适配问题,开漏结构更容易实现电平转换。引用[2]提到的“线与”功能特别关键,这是I²C允许多设备共享总线的基础。 SPI需要主要是因为其推挽输出结构能主动驱动高低电平,但要注意引用[3]提到高速模式下的特殊性。用户可能没意识到SPI在长距离传输时其实也需要考虑终端匹配,过这属于上拉电阻的范畴。 最后生成的延伸问题要覆盖常见设计痛点:上拉电阻阻值计算是个经典问题,电平转换方案选择也很实用,而功耗对比对电池供电设备尤为重要。用户如果正在做低功耗设计,第三个问题会是关键。 </think> I²C必须使用上拉电阻而SPI需要,核心原因在于**电气结构差异****总线仲裁需求**。以下是具体分析: --- ### 、根本原因:输出结构差异 | **特性** | **I²C** | **SPI** | |----------------|--------------------------------------|--------------------------------------| | **输出类型** | **开漏输出 (Open-Drain)** | **推挽输出 (Push-Pull)** | | **工作原理** | 只能主动拉低电平 ($V_{OL}$),高电平依赖外部上拉电阻 | 可主动输出高电平 ($V_{OH}$) 或低电平 ($V_{OL}$) | | **电平建立** | 靠上拉电阻将总线拉到 $V_{CC}$(逻辑1) | 由驱动晶体管直接输出 $V_{CC}$(逻辑1) | | **典型电路** | ![I²C开漏输出](https://via.placeholder.com/300x100?text=I²C+开漏输出+需上拉电阻) | ![SPI推挽输出](https://via.placeholder.com/300x100?text=SPI+推挽输出+无需上拉) | > **关键结论**: > I²C的开漏结构无法自主输出高电平,必须通过上拉电阻 $R_P$ 建立逻辑1($V_{CC}$),而SPI的推挽结构可自主输出高/低电平[^2][^3]。 --- ### 二、功能需求:多设备总线仲裁 I²C的开漏输出 + 上拉电阻的组合实现了**线与 (Wired-AND)** 功能: ```plaintext SDA线逻辑状态 = (设备1输出) AND (设备2输出) AND ... AND (设备N输出) ``` 1. **仲裁机制**:当多个设备同时发送数据时,若某设备输出低电平(逻辑0),会强制将整条总线拉低,其他输出高电平的设备会自动退出发送 2. **防短路保护**:开漏结构避免多个设备同时推高电平时产生电流冲突,保护电路安全[^2] > **案例**: > 主设备A发送高电平(1),主设备B发送低电平(0)→ 总线被拉低为0 → 设备A检测到总线状态与自身输出符,立即退出发送。 --- ### 三、电压兼容性扩展 上拉电阻使I²C更易实现**跨电压通信**: $$ V_{CC\_Master} \neq V_{CC\_Slave} $$ 1. 通过选择同 $V_{CC}$ 的上拉电阻,可连接同工作电压的设备 2. 无需额外电平转换芯片(在速率要求高时)[^3] > **对比SPI**: > SPI设备若电压匹配,必须使用电平转换器,否则可能损坏接口电路。 --- ### 四、SPI无需上拉电阻的原因 1. **点对点主导**:SPI通常单主控+单从机(或多从机独立片选),无需总线仲裁 2. **推挽优势**:主设备MOSI从设备MISO均为推挽输出,可快速建立高低电平 3. **速度保障**:省去上拉电阻的RC延迟($t_{rise} = R_P \times C_{bus}$),适应高速传输(>100 MHz)[^1] --- ### 💡 设计注意事项 | **场景** | **I²C** | **SPI** | |----------------------|--------------------------------------|------------------------| | **上拉电阻取值** | 需计算:$R_{P(min)} = \frac{V_{CC} - V_{OL}}{I_{OL}}$, $R_{P(max)} = \frac{t_r}{0.8473 \times C_{bus}}$ | 需要 | | **长距离传输** | 易受干扰(高阻态),需降低 $R_P$ | 更稳定(低输出阻抗) | | **功耗敏感场景** | 静态电流 $I_{leak} = \frac{V_{CC}}{R_P}$ | 静态功耗接近0 | --- ### 相关问题 1. **I²C上拉电阻阻值如何计算?过大或过小会导致什么问题?**[^2] 2. **SPI在长距离传输时是否需要终端匹配电阻?为什么?** 3. **开漏输出相比推挽输出在低功耗设计中有何优势?** 4. **当I²C总线上有5V3.3V设备共存时,如何安全实现电平转换?**
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