标签:多少 物理层 变化 输入输出 模式 控制 不同 分析 信号处理
一、SPI协议简介
1、SPI接口
SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface),即串行外围设备接口,是一种高速全双工的通信总线。SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI总线可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件相连,包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线NSS。
2、应用
SPI接口的全称是"Serial Peripheral Interface",意为串行外围接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器, ADC、 LCD 等设备与 MCU 间,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间,要求通讯速率较高的场合。
SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,低位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比I2C总线要快,速度可达到几Mbps。
3、接口信号
(1)MOSI – 主器件数据输出,从器件数据输入
(2)MISO – 主器件数据输入,从器件数据输出
(3)SCLK –时钟信号,由主器件产生,最大为fPCLK/2,从模式频率最大为fCPU/2
(4)NSS – 从器件使能信号,由主器件控制,有的IC会标注为CS(Chip select)
在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。
SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如下图所示,在SCLK的上升沿上数据改变,同时一位数据被存入移位寄存器。
二、SPI通讯详解
1 、SPI 物理层
SPI 通讯设备之间的常用连接方式见下图:
SPI 通讯使用 3 条总线及片选线, 3 条总线分别为 SCK、 MOSI、 MISO,片选线为/S,它们的作用介绍如下:
(1) /S/S( Slave Select):从设备选择信号线,常称为片选信号线,也称为 NSS、 CS,以下用 NSS 表示。 当有多个 SPI 从设备与 SPI 主机相连时,设备的其它信号线 SCK、MOSI 及 MISO 同时并联到相同的 SPI 总线上,即无论有多少个从设备,都共同只使用这 3 条总线;而每个从设备都有独立的这一条 NSS 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 NSS 信号线来寻址,当主机要选择从设备时,把该从设备的 NSS 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 NSS 线置低电平为开始信号,以 NSS 线被拉高作为结束信号。
(2) SCK (Serial Clock): 时钟信号线,用于通讯数据同步。它由通讯主机产生,决定了通讯的速率,不同的设备支持的最高时钟频率不一样,如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为fpclk/2,两个设备之间通讯时,通讯速率受限于低速设备。
(3) MOSI (Master Output, Slave Input): 主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出,从机由这条信号线读入主机发送的数据,即这条线上数据的方向为主机到从机。
(4) MISO(Master Input,, Slave Output): 主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据,从机的数据由这条信号线输出到主机,即在这条线上数据的方向为从机到主机。
2 、协议层
与 I2C 的类似, SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。
(1)、SPI 基本通讯过程
先看看 SPI 通讯的通讯时序,见下图:
这是一个主机的通讯时序。 NSS、 SCK、 MOSI 信号都由主机控制产生,而 MISO 的信号由从机产生,主机通过该信号线读取从机的数据。 MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效,在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。
(2)、通讯的起始和停止信号
在图中的标号1处,NSS 信号线由高变低,是 SPI 通讯的起始信号。 NSS 是每个从机各自独占的信号线,当从机检在自己的 NSS 线检测到起始信号后,就知道自己被主机选中了,开始准备与主机通讯。在图中的标号?处, NSS 信号由低变高,是 SPI 通讯的停止信号,表示本次通讯结束,从机的选中状态被取消。
(3)、数据有效性
SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据,使用 SCK 信号线进行数据同步。 MOSI及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据,且数据输入输出是同时进行的。数据传输时, MSB 先行(高位先行)或 LSB(低位先行)先行并没有作硬性规定,但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定,一般都会采用上图中的 MSB 先行(高位先行)模式。
观察图中的2345标号处, MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出,在 SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻, MOSI 及 MISO 的数据有效,高电平时表示数据“1”,为低电平时表示数据“0”。在其它时刻,数据无效, MOSI 及 MISO为下一次表示数据做准备。
SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位,每次传输的单位数不受限制。
(4)、 CPOL(时钟极性)/CPHA(时钟相位)及通讯模式
上面讲述的图中的时序只是 SPI 中的其中一种通讯模式, SPI 一共有四种通讯模式,它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明,在此引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。
时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时, SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。 CPOL=0 时, SCK 在空闲状态时为低电平,CPOL=1 时,则相反。
时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻,当 CPHA=0 时, MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿” 被采样。当 CPHA=1 时,数据线在 SCK 的“偶数边沿” 采样。见下图:
CPHA=0 时的 SPI 通讯模式
我们来分析这个 CPHA=0 的时序图。首先,根据 SCK 在空闲状态时的电平,分为两种情况。 SCK 信号线在空闲状态为低电平时, CPOL=0;空闲状态为高电平时, CPOL=1。
无论 CPOL=0 还是=1,因为我们配置的时钟相位 CPHA=0,在图中可以看到, 采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿。注意当 CPOL=0 的时候,时钟的奇数边沿是上升沿,而CPOL=1 的时候,时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。 MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变,数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样,在非采样时刻, MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。
类似地,当 CPHA=1 时,不受 CPOL 的影响,数据信号在 SCK 的偶数边沿被采样,见下图:
CPHA=1 时的 SPI 通讯模式
由 CPOL 及 CPHA 的不同状态, SPI 分成了四种模式,见下表,主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯,实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”
SPI的4种模式
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原文地址:https://www.cnblogs.com/The-explosion/p/11620182.html