SPI 协议

最新推荐文章于 2025-07-05 23:25:26 发布

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SPI介绍

由于SPI(serial peripheral interface)总线占用的接口线少，通信效率高，并且支持大部分处理器芯片，因而是一种理想的选择。SPI是利用4根信号线进行通信的串行接口协议，包括主／从两种模式。4个接口信号为：串行数据输入(MISO，主设备输入、从设备输出)、串行数据输出(MOSI，主设备输出、从设备输入)、移位时钟(SCK)、低电平有效的从设备使能信号(cs)。SPI最大的特点是由主设备时钟信号的出现与否来确定主／从设备间的通信。一旦检测到主设备的时钟信号，数据开始传输。

SPI工作方式简介

· 　　SPI是由美国摩托罗拉公司最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口。

　　SPI模式可以允许同时同步发送和接收8位数据，并支持4种工作方式：

　　1. 串行数据输出，对应RC5／SDO引脚；

　　2. 串行数据输入，对应RC4／SDI／SDA引脚；

　　3. 串行时钟，对应RC3／SCK／SCL引脚；

　　4. 从动方式选择，对应RA5／SS／AN4引脚。

　　SPI模式下与之相关的寄存器有10个，其中4个是与I2C模式共用的。

　　图1所示是由一个主机对接一个从机进行全双工通信的系统构成的方式。在该系统中，由于主机和从机的角色是固定不变的，并且只有一个从机，因此，可以将主机的一端接高电平，将从机的SS端固定接地。

全双工主机／从机连接方法

图1 全双工主机／从机连接方法

　　若干个具备SPI接口的单片机和若干片兼容SPI接口的外围芯片，可以在软件的控制下，构成多种简单或者复杂的应用系统，例如以下3种。

　　（1）一个主机和多个从器件的通信系统。

　　如图2所示，各个从器件是单片机的外围扩展芯片，它们的片选端SS分别独占单片机的一条通用I／O引脚，由单片机分时选通它们建立通信。这样省去了单片机在通信线路上发送地址码的麻烦，但是占用了单片机的引脚资源。当外设器件只有一个时，可以不必选通而直接将SS端接地即可。

一个主机扩展多个外围器件

　　图2 一个主机扩展多个外围器件

　　（2）几个单片机互相连接构成多主机通信系统。

　　图3所示为3个既可以当作主机也可以当作从机的单片机组成的系统。

多主机通信系统连接方法

图3 多主机通信系统连接方法

　　（3）主机、从机和从器件共同组成的应用系统。

　　图4所示为一个主机、一个从机和多片外设芯片组成的应用系统。这些外设芯片有的只接收来自单片机信息，有的只向单片机提供信息，还有的既接收也发送信息。

主机、从机和从器件互连

图4主机、从机和从器件互连

SPI的数据传输

· 　　SPI主设备负责产生系统时钟，并决定整个SPI网络的通信速率。所有的SPI设备都采用相同的接口方式，可以通过调整处理器内部寄存器改变时钟的极性和相位。由于SPI器件并不一定遵循同一标准，比如EEPROM、DAC、ADC、实时时钟及温度传感器等器件的SPI接口的时序都有所不同，为了能够满足不同的接口需要，采用时钟的极性和相位可配就能够调整SPI的通信时序。

　　SPI设备传输数据过程中总是先发送或接收高字节数据，每个时钟周期接收器或收发器左移1位数据。对于小于16位的数据在发送之前必须左对齐，如果接收的数据小于16位则采用软件将无效的数据位屏蔽，如图1所示。

　　SPI接口有主和从两种操作模式，通过MASTER／SLAVE位（SPICTL．2）选择操作模式以及SPICLK信号的来源，如图2所示。

SPI通信数据格式

图1 SPI通信数据格式

SPI主控制器／从控制器的连接

图2 SPI主控制器／从控制器的连接

SPI用户逻辑

· 　　该模块针对用户不同的应用来设计，本质上就是用户的具体业务应用，与SPI-4接口没有直接关系。当应用支持多个端口时，这部分就显得至关重要。下面以支持两个端口的应用来说明用户逻辑的设计技巧。

　　(1)Sink Core的用户逻辑

　　端口为两个时，用户逻辑就需要用两个不同的FIFO根据端口的地址等来分别缓存用户的两个业务数据．同时根据FIFO的情况来发出流控信息给SPI4数据接口，如图1所示。

Sink Ceore 两个端口的用户逻辑

图1 Sink Core 两个端口的用户逻辑

　　(2) Source Core的用户逻辑

　　当端口为两个时，用户逻辑就需要根据流控信息和两个不同的FffiOffJ情况来做仲裁，决定哪个用户逻辑FIFO需要发送给SPI4数据接口，如图2所示。

Source Core2个端口的用户逻辑

图2 Source Core2个端口的用户逻辑

SPI基本原理与结构

· 串行外围设备接口(SPI)是由Motorola公司开发的、用来在微控制器和外围设备芯片之间实现数据交换的低成本、易使用接口。与标准的串行接口不同，SPI是一个同步协议接口，全双工通信，所有的传输都参照一个共同的时钟，这个同步时钟信号由主机产生。接收数据的外设使用时钟对串行比特流的接收进行同步化。其传输速度可达几Mb/s。

　　SPI主要使用4个信号：MISO(主机输入/从机输出)、MOSI(主机输出/从机输入)、 SCLK(串行时钟)、或(外设片选或从机选择)。

　　MISO信号由从机在主机的控制下产生。信号用于禁止或使能外设的收发功能。为高电平时，禁止外设接收和发送数据；为低电平时，允许外设接收和发送数据。图1所示是微处理器通过SPI与外设连接的示意图。

　　主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机(如图2所示)。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。

　　如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

　　当主机发送一个连续的数据流时，有些外设能够进行多字节传输。多数具有SPI接口的存储芯片就以这种方式工作。在这种传输方式下，从机的片选端必须在整个传输过程中保持低电平。此时，一次传输可能会涉及到成千上万字节的信息，而不必在每个字节的数据发送的前后都去检测其起始位和结束位，这正是同步传输方式优于异步传输方式的原因所在。

　　虽然SPI有以上优点，然而在图像传输中却很少用到，原因主要是其抗干扰能力差。SPI采用的是单端非平衡的传输方式，即传输的数据位的电压电平是以公共地作为参考的。在这种传输方式中，对于已进入信号中的干扰是无法消除和减弱的。而信号在传输过程中总会受到干扰，而且距离越长干扰越严重，以致于信号传输产生错误。在这种条件下，信号传输就变得毫无意义了。另外，由于单端非平衡传输方式以公共地作为参考点，地线作为信号回流线，因此也存在信号电流。当传输线两端的系统之间存在交流电位差时，这个电位差将直接窜到信号中，形成噪声干扰。所以，为了解决抗干扰问题，通常采用平衡传输(balanced transmission)方式，这里采用比较常见的RS-422。