說明.文章摘自：SPI協(xié)議及其工作原理淺析?http://bbs.chinaunix.net/thread-1916003-1-1.html

一、概述.

? ???SPI, Serial Perripheral Interface, 串行外圍設(shè)備接口, 是 Motorola 公司推出的一種同步串行接口技術(shù). SPI 總線在物理上是通過接在外圍設(shè)備微控制器(PICmicro) 上面的微處理控制單元 (MCU) 上叫作同步串行端口(Synchronous Serial Port) 的模塊(Module)來實(shí)現(xiàn)的, 它允許 MCU 以全雙工的同步串行方式, 與各種外圍設(shè)備進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信.

? ???SPI 主要應(yīng)用在 EEPROM, Flash, 實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC), 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC), 數(shù)字信號處理器(DSP) 以及數(shù)字信號解碼器之間. 它在芯片中只占用四根管腳 (Pin) 用來控制以及數(shù)據(jù)傳輸, 節(jié)約了芯片的 pin 數(shù)目, 同時(shí)為 PCB 在布局上節(jié)省了空間. 正是出于這種簡單易用的特性, 現(xiàn)在越來越多的芯片上都集成了 SPI技術(shù).


二、 特點(diǎn)

? ???1. 采用主-從模式(Master-Slave) 的控制方式

? ?? ? SPI 規(guī)定了兩個 SPI 設(shè)備之間通信必須由主設(shè)備 (Master) 來控制次設(shè)備 (Slave). 一個 Master 設(shè)備可以通過提供 Clock 以及對 Slave 設(shè)備進(jìn)行片選 (Slave Select) 來控制多個 Slave 設(shè)備, SPI 協(xié)議還規(guī)定 Slave 設(shè)備的 Clock 由 Master 設(shè)備通過 SCK 管腳提供給 Slave 設(shè)備, Slave 設(shè)備本身不能產(chǎn)生或控制 Clock, 沒有 Clock 則 Slave 設(shè)備不能正常工作.

? ???2. 采用同步方式(Synchronous)傳輸數(shù)據(jù)

? ?? ? Master 設(shè)備會根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖(Clock Pulse), 時(shí)鐘脈沖組成了時(shí)鐘信號(Clock Signal) , 時(shí)鐘信號通過時(shí)鐘極性 (CPOL) 和 時(shí)鐘相位 (CPHA) 控制著兩個 SPI 設(shè)備間何時(shí)數(shù)據(jù)交換以及何時(shí)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣, 來保證數(shù)據(jù)在兩個設(shè)備之間是同步傳輸?shù)?

? ???3. 數(shù)據(jù)交換(Data Exchanges)

? ?? ? SPI 設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸之所以又被稱為數(shù)據(jù)交換, 是因?yàn)?SPI 協(xié)議規(guī)定一個 SPI 設(shè)備不能在數(shù)據(jù)通信過程中僅僅只充當(dāng)一個 "發(fā)送者(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)". 在每個 Clock 周期內(nèi), SPI 設(shè)備都會發(fā)送并接收一個 bit 大小的數(shù)據(jù), 相當(dāng)于該設(shè)備有一個 bit 大小的數(shù)據(jù)被交換了.

? ?? ? 一個 Slave 設(shè)備要想能夠接收到 Master 發(fā)過來的控制信號, 必須在此之前能夠被 Master 設(shè)備進(jìn)行訪問 (Access). 所以, Master 設(shè)備必須首先通過 SS/CS pin 對 Slave 設(shè)備進(jìn)行片選, 把想要訪問的 Slave 設(shè)備選上.

? ?? ? 在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,??每次接收到的數(shù)據(jù)必須在下一次數(shù)據(jù)傳輸之前被采樣. 如果之前接收到的數(shù)據(jù)沒有被讀取, 那么這些已經(jīng)接收完成的數(shù)據(jù)將有可能會被丟棄,??導(dǎo)致 SPI 物理模塊最終失效. 因此, 在程序中一般都會在 SPI 傳輸完數(shù)據(jù)后, 去讀取 SPI 設(shè)備里的數(shù)據(jù), 即使這些數(shù)據(jù)(Dummy Data)在我們的程序里是無用的.


三、 工作機(jī)制

? ???1. 概述

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? ?? ?上圖只是對 SPI 設(shè)備間通信的一個簡單的描述, 下面就來解釋一下圖中所示的幾個組件(Module):

? ?? ? SSPBUF, Synchronous Serial Port Buffer, 泛指 SPI 設(shè)備里面的內(nèi)部緩沖區(qū), 一般在物理上是以 FIFO 的形式, 保存?zhèn)鬏斶^程中的臨時(shí)數(shù)據(jù);

? ?? ? SSPSR, Synchronous Serial Port Register, 泛指 SPI 設(shè)備里面的移位寄存器(Shift Regitser), 它的作用是根據(jù)設(shè)置好的數(shù)據(jù)位寬(bit-width) 把數(shù)據(jù)移入或者移出 SSPBUF;

? ?? ? Controller, 泛指 SPI 設(shè)備里面的控制寄存器, 可以通過配置它們來設(shè)置 SPI 總線的傳輸模式.

? ?? ???通常情況下, 我們只需要對上圖所描述的四個管腳(pin) 進(jìn)行編程即可控制整個 SPI 設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信:

? ?? ???SCK, Serial Clock, 主要的作用是 Master 設(shè)備往 Slave 設(shè)備傳輸時(shí)鐘信號, 控制數(shù)據(jù)交換的時(shí)機(jī)以及速率;

? ?? ???SS/CS, Slave Select/Chip Select, 用于 Master 設(shè)備片選 Slave 設(shè)備, 使被選中的 Slave 設(shè)備能夠被 Master 設(shè)備所訪問;

? ?? ???SDO/MOSI, Serial Data Output/Master Out Slave In, 在 Master 上面也被稱為 Tx-Channel, 作為數(shù)據(jù)的出口, 主要用于 SPI 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù);

? ?? ???SDI/MISO, Serial Data Input/Master In Slave Out, 在 Master 上面也被稱為 Rx-Channel, 作為數(shù)據(jù)的入口, 主要用于SPI 設(shè)備接收數(shù)據(jù);

? ?? ???SPI 設(shè)備在進(jìn)行通信的過程中, Master 設(shè)備和 Slave 設(shè)備之間會產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)鏈路回環(huán)(Data Loop), 就像上圖所畫的那樣, 通過 SDO 和 SDI 管腳, SSPSR 控制數(shù)據(jù)移入移出 SSPBUF, Controller 確定 SPI 總線的通信模式, SCK 傳輸時(shí)鐘信號.


? ?? ?2. Timing.

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? ?? ???上圖通過 Master 設(shè)備與 Slave 設(shè)備之間交換1 Byte 數(shù)據(jù)來說明 SPI 協(xié)議的工作機(jī)制.

? ?? ???首先,??在這里解釋一下兩個概念:
? ?? ???CPOL: 時(shí)鐘極性, 表示 SPI 在空閑時(shí), 時(shí)鐘信號是高電平還是低電平. 若 CPOL 被設(shè)為 1, 那么該設(shè)備在空閑時(shí) SCK 管腳下的時(shí)鐘信號為高電平. 當(dāng) CPOL 被設(shè)為 0 時(shí)則正好相反.

? ?? ???CPHA: 時(shí)鐘相位, 表示 SPI 設(shè)備是在 SCK 管腳上的時(shí)鐘信號變?yōu)樯仙貢r(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣, 還是在時(shí)鐘信號變?yōu)橄陆笛貢r(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣. 若 CPHA 被設(shè)置為 1, 則 SPI 設(shè)備在時(shí)鐘信號變?yōu)橄陆笛貢r(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣, 在上升沿時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù). 當(dāng) CPHA 被設(shè)為 0 時(shí)也正好相反.
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? ?? ???上圖里的 "Mode 1, 1" 說明了本例所使用的 SPI 數(shù)據(jù)傳輸模式被設(shè)置成 CPOL = 1, CPHA = 1. 這樣, 在一個 Clock 周期內(nèi), 每個單獨(dú)的 SPI 設(shè)備都能以全雙工(Full-Duplex) 的方式, 同時(shí)發(fā)送和接收 1 bit 數(shù)據(jù), 即相當(dāng)于交換了 1 bit 大小的數(shù)據(jù). 如果 SPI 總線的 Channel-Width 被設(shè)置成 Byte, 表示 SPI 總線上每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝粸?Byte, 那么掛載在該 SPI 總線的設(shè)備每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程至少需要 8 個 Clock 周期(忽略設(shè)備的物理延遲). 因此, SPI 總線的頻率越快, Clock 周期越短, 則 SPI 設(shè)備間數(shù)據(jù)交換的速率就越快.


? ???3. SSPSR.

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? ?? ???SSPSR 是 SPI 設(shè)備內(nèi)部的移位寄存器(Shift Register). 它的主要作用是根據(jù) SPI 時(shí)鐘信號狀態(tài), 往 SSPBUF 里移入或者移出數(shù)據(jù), 每次移動的數(shù)據(jù)大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所決定.

? ?? ???Bus-Width 的作用是指定地址總線到 Master 設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝?
? ?? ???例如, 我們想要往 Master 設(shè)備里面的 SSPBUF 寫入 16 Byte 大小的數(shù)據(jù): 首先, 給 Master 設(shè)備的配置寄存器設(shè)置 Bus-Width 為 Byte; 然后往 Master 設(shè)備的 Tx-Data 移位寄存器在地址總線的入口寫入數(shù)據(jù), 每次寫入 1 Byte 大小的數(shù)據(jù)(使用 writeb 函數(shù)); 寫完 1 Byte 數(shù)據(jù)之后, Master 設(shè)備里面的 Tx-Data 移位寄存器會自動把從地址總線傳來的1 Byte 數(shù)據(jù)移入 SSPBUF 里; 上述動作一共需要重復(fù)執(zhí)行 16 次.

? ?? ???Channel-Width 的作用是指定 Master 設(shè)備與 Slave 設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝? 與 Bus-Width 相似,??Master 設(shè)備內(nèi)部的移位寄存器會依據(jù) Channel-Width 自動地把數(shù)據(jù)從 Master-SSPBUF 里通過 Master-SDO 管腳搬運(yùn)到 Slave 設(shè)備里的 Slave-SDI 引腳, Slave－SSPSR 再把每次接收的數(shù)據(jù)移入 Slave-SSPBUF里.

? ?? ???通常情況下, Bus-Width 總是會大于或等于 Channel-Width, 這樣能保證不會出現(xiàn)因 Master 與 Slave 之間數(shù)據(jù)交換的頻率比地址總線與 Master 之間的數(shù)據(jù)交換頻率要快, 導(dǎo)致 SSPBUF 里面存放的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)這樣的情況.


? ?? ???4. SSPBUF.

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? ?? ?? ? 我們知道, 在每個時(shí)鐘周期內(nèi), Master 與 Slave 之間交換的數(shù)據(jù)其實(shí)都是 SPI 內(nèi)部移位寄存器從 SSPBUF 里面拷貝的. 我們可以通過往 SSPBUF 對應(yīng)的寄存器 (Tx-Data / Rx-Data register) 里讀寫數(shù)據(jù), 間接地操控 SPI 設(shè)備內(nèi)部的 SSPBUF.

? ?? ?? ? 例如, 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前, 我們應(yīng)該先往 Master 的 Tx-Data 寄存器寫入將要發(fā)送出去的數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)會被 Master-SSPSR 移位寄存器根據(jù) Bus-Width 自動移入 Master-SSPBUF 里, 然后這些數(shù)據(jù)又會被 Master-SSPSR 根據(jù) Channel-Width 從 Master-SSPBUF 中移出, 通過 Master-SDO??管腳傳給 Slave-SDI 管腳,??Slave-SSPSR 則把從??Slave-SDI 接收到的數(shù)據(jù)移入 Slave-SSPBUF 里.??與此同時(shí), Slave-SSPBUF 里面的數(shù)據(jù)根據(jù)每次接收數(shù)據(jù)的大小(Channel-Width), 通過 Slave-SDO 發(fā)往 Master-SDI, Master-SSPSR 再把從 Master-SDI 接收的數(shù)據(jù)移入 Master-SSPBUF.在單次數(shù)據(jù)傳輸完成之后, 用戶程序可以通過從 Master 設(shè)備的 Rx-Data 寄存器讀取 Master 設(shè)備數(shù)據(jù)交換得到的數(shù)據(jù).


? ?? ?? ?5. Controller.

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? ?? ?? ? Master 設(shè)備里面的 Controller 主要通過時(shí)鐘信號(Clock Signal)以及片選信號(Slave Select Signal)來控制 Slave 設(shè)備. Slave 設(shè)備會一直等待, 直到接收到 Master 設(shè)備發(fā)過來的片選信號, 然后根據(jù)時(shí)鐘信號來工作.

? ?? ?? ? Master 設(shè)備的片選操作必須由程序所實(shí)現(xiàn). 例如: 由程序把 SS/CS 管腳的時(shí)鐘信號拉低電平, 完成 SPI 設(shè)備數(shù)據(jù)通信的前期工作; 當(dāng)程序想讓 SPI 設(shè)備結(jié)束數(shù)據(jù)通信時(shí), 再把 SS/CS 管腳上的時(shí)鐘信號拉高電平.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的SPI及其工作原理浅析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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