SPI总线的原理

伊藤诚诚诚诚

已于 2023-08-15 13:44:25 修改

阅读量731

点赞数 1

文章标签： fpga开发

于 2023-08-15 09:53:25 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_55831197/article/details/132159820

版权

一、简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口），是Motorola公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输，广泛用于EEPROM、Flash、RTC（实时时钟）、ADC（数模转换器）、DSP（数字信号处理器）以及数字信号解码器上。SPI通信的速度很容易达到好几兆bps，所以可以用SPI总线传输一些未压缩的音频以及压缩的视频。

SPI 通讯协议的优点是支持全双工通信，通讯方式较为简单，且相对数据传输速率较快；缺点是没有指定的流控制，没有应答机制确认数据是否接收，与 IIC 总线通讯协议相比，在数据可靠性上有一定缺陷。

1.1物理连接图

SPI 通讯设备的通讯模式是主从通讯模式，通讯双方有主从之分，根据从机设备的个数， SPI 通讯设备之间的连接方式可分为一主一从和一主多从。

下图为一主一从的连接图：

从上图可以看出，SPI总线通信传输只需要四根线就可以完成通信。

SCK(Serial Clock)：SCK是串行时钟线，作用是Master向Slave传输时钟信号，控制数据交换的时机和速率;

MOSI(Master Out Slave in)：在SPI Master上也被称为Tx-channel，作用是SPI主机给SPI从机发送数据；

　　MISO(Master In Slave Out)：在SPI Master上也被称为Rx-channel，作用是SPI主机接收SPI从机传输过来的数据；

　　/CS(Chip Select)：为片选信号，作用是SPI Master选择与哪一个SPI Slave通信，低电平表示从机被选中(低电平有效)；每个从设备都有独立的这一条 CS_N 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。 I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而 SPI协议中没有设备地址，它使用 CS_N 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 CS_N 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI 通讯。所以 SPI 通讯以 CS_N 线置低电平为开始信号，以 CS_N 线被拉高作为结束信号。

具体框图如下图所示：

总结：1、SPI 采用主从模式（Master-Slave）的控制方式，支持单Master多Slave。SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备Master来控制从设备Slave。也就是说，如果FPGA是主机的情况下，不管是FPGA给芯片发送数据还是从芯片中接收数据，写Verilog逻辑的时候片选信号CS与串行时钟信号SCK必须由FPGA来产生。同时一个Master可以设置多个片选(Chip Select)来控制多个Slave。SPI协议还规定Slave设备的clock由Master通过SCK管脚提供给Slave，Slave本身不能产生或控制clock，没有clock则Slave不能正常工作。

2、SPI总线在传输数据的同时也传输了时钟信号，所以SPI协议是一种同步（Synchronous）传输协议。Master会根据将要交换的数据产生相应的时钟脉冲，组成时钟信号，时钟信号通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)控制两个SPI设备何时交换数据以及何时对接收数据进行采样，保证数据在两个设备之间是同步传输的。

3、SPI总线协议是一种全双工的串行通信协议，数据传输时高位在前，低位在后。SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅充当一个发送者（Transmitter）或者接受者（Receiver）。在片选信号CS为0的情况下，每个clock周期内，SPI设备都会发送并接收1 bit数据，相当于有1 bit数据被交换了。数据传输高位在前，低位在后（MSB first）。

二、通信模式

SPI 通讯协议一共有四种通讯模式，模式 0、模式 1、模式 2 以及模式 3，这 4 种模式分别由时钟极性(CPOL， Clock Polarity)和时钟相位(CPHA， Clock Phase)来定义，其中CPOL 参数规定了空闲状态(CS_N 为高电平，设备未被选中)时 SCK 时钟信号的电平状态，CPHA 规定了数据采样是在 SCK 时钟的奇数边沿还是偶数边沿。
时序图如下图所示：