标题:
SPI基本原理与结构
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作者:
51黑黑黑
时间:
2016-2-13 01:59
标题:
SPI基本原理与结构
SPI（
Serial PeripheralInterface
，串行外围设备接口）是由
Motorola
公司开发，用来在微控制器和外围设备芯片之间提供一个低成本、易使用的接口（
SPI
有时候也被称为
4
线接口）。这种接口可以用来连接存储器（存储数据）、
A/D
转换器、
D/A
转换器、实时时钟日历、
LCD
驱动器、传感器、音频芯片，甚至其他处理器。支持
SPI
的元件很多，并且还一直在增加。
与标准的串行接口（将在第
10
章讲到）不同，
SPI
是一个同步协议接口，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（处理器）产生，接收数据的外设（从设备）使用时钟来对串行比特流的接收进行同步化。可能会有许多芯片连到主机的同一个
SPI
接口上，这时主机通过触发从设备的片选输入引脚来选择接收数据的从设备，没有被选中的外设将不会参与
SPI
传输。
SPI
主要使用
4
个信号：主机输出
/
从机输入（
MOSI
）、主机输入
/
主机输出（
MISO
）、串行
SCLK
或
SCK
和外设芯片（
CS
）。有些处理器有
SPI
接口专用的芯片选择，称为从机选择（
SS
）。
MOSI
信号由主机产生，从机接收。在有些芯片上，
MOSI
只被简单的标为串行输入（
SI
），或者串行数据输入（
SDI
）。
MISO
信号由从机产生，不过还是在主机的控制下产生的。在一些芯片上，
MISO
有时被称为串行输出（
SO
）或串行数据输出（
SDO
）。外设片选信号通常只是由主机的备用
I/O
引脚产生的。下左图是微处理器通过
SPI
和外设进行连接的示意图。
主机和外设都包含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。寄存器是通过
MOSI
信号线将字节传送给外设，外设也将自己移位寄存器中的内容通过
MISO
信号线返回给主机，如上右图所示。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换了。外设的写操作和读操作是同步完成的，因此
SPI
成为一个很有效的协议。
如果只是进行写操作，主机只需忽略收到的字节；反过来，如果主机要读取外设的一个字节，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。许多拥有
SPI
接口的存储器芯片都以这种方式工作。在这种传输方式下，
SPI
外设的芯片选择端必须在整个传输过程中保持低电平。比如，存储器芯片会希望在一个“写”命令之后紧接着收到的是
4
个地址字节（起始地址），这样后面接收到的数据就可以存储到该地址。一次传输可能会涉及千字节的移位或更多的信息。
其他外设只需要一个单字节（比如一个发给
A/D
转换器的命令），有些甚至还支持菊花链连接，如下图所示。
在这个例子中，主机处理器从其
SPI
接口发送
3
个字节的数据。第
1
个字节发送给外设
A
，当第
2
个字节发送给外设
A
的时候，第
1
个字节已移出了
A
，而传送给了
B
。同样，主机想要从外设
A
读取一个结果，它必须再发送一个
3
字节（空字节）的序列，这样就可以把
A
中的数据移到
B
中，然后再移到
C
中，最后送回主机。在这个过程中，主机还依次从
B
和
C
接收到字节。
注意，菊花链连接不一定适用于所有的
SPI
设备，特别是要求多字节传输的（比如存储器芯片）设备。另外，要对外设芯片的数据表进行仔细分析，确定能对它做什么而不能做什么。如果芯片的数据表中没有明确提到菊花链连接，那么该芯片不支持这种连接的几率为
50%
。
根据时钟极性和时钟相位的不同，
SPI
有
4
个工作模式。时钟极性有高、低两极：时钟极性为低电平时，空闲时时钟（
SCK
）处于低电平，传输时跳转到高电平；时钟极性为高电平时，空闲时时钟处于高电平，传输时跳转到低电平。
时钟相位有两个：时钟相位
0
和时钟相位
1
。对于时钟相位
0
，如果时钟极性是低电平，
MOSI
和
MISO
输出在（
SCK
）的上升沿有效。如果时钟电平极性为高，对于时钟相位
0
，这些输出在
SCK
的下降沿有效。
MISO
输出的第
X
位是一个未定义的附加位，是
SPI
接口特有的情况。用户不必担心这个位，因为
SPI
接口将忽略该位。
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