標題:
SPI基本原理與結(jié)構(gòu)
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作者:
51黑黑黑
時間:
2016-2-13 01:59
標題:
SPI基本原理與結(jié)構(gòu)
SPI（
Serial PeripheralInterface
，串行外圍設(shè)備接口）是由
Motorola
公司開發(fā)，用來在微控制器和外圍設(shè)備芯片之間提供一個低成本、易使用的接口（
SPI
有時候也被稱為
4
線接口）。這種接口可以用來連接存儲器（存儲數(shù)據(jù)）、
A/D
轉(zhuǎn)換器、
D/A
轉(zhuǎn)換器、實時時鐘日歷、
LCD
驅(qū)動器、傳感器、音頻芯片，甚至其他處理器。支持
SPI
的元件很多，并且還一直在增加。
與標準的串行接口（將在第
10
章講到）不同，
SPI
是一個同步協(xié)議接口，所有的傳輸都參照一個共同的時鐘，這個同步時鐘信號由主機（處理器）產(chǎn)生，接收數(shù)據(jù)的外設(shè)（從設(shè)備）使用時鐘來對串行比特流的接收進行同步化。可能會有許多芯片連到主機的同一個
SPI
接口上，這時主機通過觸發(fā)從設(shè)備的片選輸入引腳來選擇接收數(shù)據(jù)的從設(shè)備，沒有被選中的外設(shè)將不會參與
SPI
傳輸。
SPI
主要使用
4
個信號：主機輸出
/
從機輸入（
MOSI
）、主機輸入
/
主機輸出（
MISO
）、串行
SCLK
或
SCK
和外設(shè)芯片（
CS
）。有些處理器有
SPI
接口專用的芯片選擇，稱為從機選擇（
SS
）。
MOSI
信號由主機產(chǎn)生，從機接收。在有些芯片上，
MOSI
只被簡單的標為串行輸入（
SI
），或者串行數(shù)據(jù)輸入（
SDI
）。
MISO
信號由從機產(chǎn)生，不過還是在主機的控制下產(chǎn)生的。在一些芯片上，
MISO
有時被稱為串行輸出（
SO
）或串行數(shù)據(jù)輸出（
SDO
）。外設(shè)片選信號通常只是由主機的備用
I/O
引腳產(chǎn)生的。下左圖是微處理器通過
SPI
和外設(shè)進行連接的示意圖。
主機和外設(shè)都包含一個串行移位寄存器，主機通過向它的
SPI
串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器是通過
MOSI
信號線將字節(jié)傳送給外設(shè)，外設(shè)也將自己移位寄存器中的內(nèi)容通過
MISO
信號線返回給主機，如上右圖所示。這樣，兩個移位寄存器中的內(nèi)容就被交換了。外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的，因此
SPI
成為一個很有效的協(xié)議。
如果只是進行寫操作，主機只需忽略收到的字節(jié)；反過來，如果主機要讀取外設(shè)的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。
當主機發(fā)送一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流時，有些外設(shè)能夠進行多字節(jié)傳輸。許多擁有
SPI
接口的存儲器芯片都以這種方式工作。在這種傳輸方式下，
SPI
外設(shè)的芯片選擇端必須在整個傳輸過程中保持低電平。比如，存儲器芯片會希望在一個“寫”命令之后緊接著收到的是
4
個地址字節(jié)（起始地址），這樣后面接收到的數(shù)據(jù)就可以存儲到該地址。一次傳輸可能會涉及千字節(jié)的移位或更多的信息。
其他外設(shè)只需要一個單字節(jié)（比如一個發(fā)給
A/D
轉(zhuǎn)換器的命令），有些甚至還支持菊花鏈連接，如下圖所示。
在這個例子中，主機處理器從其
SPI
接口發(fā)送
3
個字節(jié)的數(shù)據(jù)。第
1
個字節(jié)發(fā)送給外設(shè)
A
，當?shù)?font face="Times New Roman">2個字節(jié)發(fā)送給外設(shè)
A
的時候，第
1
個字節(jié)已移出了
A
，而傳送給了
B
。同樣，主機想要從外設(shè)
A
讀取一個結(jié)果，它必須再發(fā)送一個
3
字節(jié)（空字節(jié)）的序列，這樣就可以把
A
中的數(shù)據(jù)移到
B
中，然后再移到
C
中，最后送回主機。在這個過程中，主機還依次從
B
和
C
接收到字節(jié)。
注意，菊花鏈連接不一定適用于所有的
SPI
設(shè)備，特別是要求多字節(jié)傳輸?shù)模ū热绱鎯ζ餍酒┰O(shè)備。另外，要對外設(shè)芯片的數(shù)據(jù)表進行仔細分析，確定能對它做什么而不能做什么。如果芯片的數(shù)據(jù)表中沒有明確提到菊花鏈連接，那么該芯片不支持這種連接的幾率為
50%
。
根據(jù)時鐘極性和時鐘相位的不同，
SPI
有
4
個工作模式。時鐘極性有高、低兩極：時鐘極性為低電平時，空閑時時鐘（
SCK
）處于低電平，傳輸時跳轉(zhuǎn)到高電平；時鐘極性為高電平時，空閑時時鐘處于高電平，傳輸時跳轉(zhuǎn)到低電平。
時鐘相位有兩個：時鐘相位
0
和時鐘相位
1
。對于時鐘相位
0
，如果時鐘極性是低電平，
MOSI
和
MISO
輸出在（
SCK
）的上升沿有效。如果時鐘電平極性為高，對于時鐘相位
0
，這些輸出在
SCK
的下降沿有效。
MISO
輸出的第
X
位是一個未定義的附加位，是
SPI
接口特有的情況。用戶不必擔心這個位，因為
SPI
接口將忽略該位。
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