SPI接口

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【SPI总线的系统】



MOTOROLA公司的SPI总线的基本信号线为3根传输线 ，即SI、SO、SCK 。传输的速率由时钟信号SCK决定，SI为数据输入、SO为数据输出。采用SPI总线的系统如上图所示，它包含了一个主片和多个从片，主片通过发出片选信号-CS 来控制对哪个从片进行通信，当某个从片的-CS信号有效时，能通过SI接收指令、数据，并通过SO发回数据。而未被选中的从片的SO端处于高阻状态。

主片在访问某一从片时，必须使该从片的片选信号有效；主片在SCK信号的同步下，通过SI线发出指令、地址信息；如需将数据输出，则接着写指令，由SCK同步在SI线上发出数据；如需读回数据，则接着读指令，由主片发出SCK，从片根据SCK的节拍通过SO发回数据。

因而对具有SPI接口的从片器件来讲，SCK、SI是输入信号，SO是输出信号。SCK用于主片和从片通信的同步。SI用于将信息传输到器件，输入的信息包括指令、地址和数据，指令、地址和数据的变化在SCK的低电平期间进行，并由SCK信号的上升沿锁存。SO 用于将信息从器件传出，传出的信息包括状态和数据，信息在SCK信号的下降沿移出。

【【度娘】】
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有三个寄存器分别为：控制寄存器SPCR，状态寄存器SPSR，数据寄存器SPDR。外围设备FLASHRAM、网络控制器 、LCD显示驱动器、A/D转换器 和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，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SS (有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。SPI接口主要应用在EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器 和数字信号解码器之间。



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。

SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,

SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。

 

 

 

SPI 接口信号线

SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。

设备选择线SS-（Slave select，或CS-）

SS-线用于选择激活某Slave设备，低有效，由Master驱动输出。只有当SS-信号线为低电平时，对应Slave设备的SPI接口才处于工作状态。

SCLK ：同步时钟信号线，

SCLK用来同步主从设备的数据传输，由Master驱动输出，Slave设备按SCK的步调接收或发送数据。

串行数据线：

SPI接口数据线是单向的，共有两根数据线，分别承担Master到Slave、Slave到Master的数据传输；但是不同厂家的数据线命名有差别。

Motorola的经典命名是MOSI和MISO，这是站在信号线的角度来命名的。

MOSI：When master, out line; when slave, in line

MISO：When master, in line; when slave, out line

比如MOSI，该线上数据一定是Master流向Slave的。因此在电路板上，Master的MOSI引脚应与Slave的MOSI引脚连接在一起。双方的MISO也应该连在一起，而不是一方的MOSI连接另一方的MISO。

不过，也有一些产家（比如Microchip）是按照类似SDI,SDO的方式来命名，这是站在器件的角度根据数据流向来定义的。

SDI：串行数据输入

SDO：串行数据输出

这种情况下，当Master与Slave连接时，就应该用一方的SDO连接另一个方的SDI。

由于SPI接口数据线是单向的，故电路设计时，数据线连接一定要正确，必然是一方的输出连接另一方的输入。

其实这个问题本来很简单的，但由于不同厂家产品的命名习惯可能不同，因此还需小心，以免低级出错。

数据传输的时序模式

为了适用不同产品接口应用需要，SPI接口定义了多种时序传输模式，并可通过设置接口单元寄存器中的相关控制位来选择。在Motorola的产品中，时序即是由两个控制位（极性控制、相位控制）来控制的。

时钟极性选择位 CPOL ：

在设备被使能激活后，还未进行数据传输时或两个字节数据传输间歇期间（见图3中的○1与○2处），SCLK处于空闲（Idle）电平，通过"CPOL空闲状态极性控制位"可以选择此空闲电平电平是0还是1。

时钟相位选择位 CPHA ：

该控制位用来选择数据接收端设备的采样时刻。可能在Idle to Active的跳变沿（见图3中的红色圈处），也可能在Active to Idle的跳变沿（见图3中的蓝色圈处）。在该采样时刻，线上数据必须已经稳定可靠，因此数据发送端设备应提前将数据移出到数据线上。为了降低设计难度，大部分接口电路都是用同一时钟周期中前一个时钟沿（即相反时钟变化方向）将数据移出。

SPI线上的Master，Slave设备必须根据具体情况设置匹配的传输时序模式，时序只有匹配，数据传输才能正常进行。如果设置的不匹配，可能导致数据接收方和发送方在同一时钟沿作用，导致数据传输失败。

 

我们以手机设计中非常流行的触摸屏控制器TSC2046为例，介绍SPI接口的实际应用。

由于TSC2046采样触摸屏信息并量化出最高位需要一定时间，而SPI总线没有握手机制，为避免Master过早的启动传输，接收无效数据，TSC2046引入了BUSY信号作为TSC2046向Master的指示。

TSC2046是在时钟的第一个Idle to Active沿采集数据（下图1处），而在第一个（下一字节）Active to Idle 沿开始移出数据（下图2处），这导致Master只能在第二个dle to Active沿采集到的数据才是有效的（下图3处），而在第一个Idle to Active沿（下图1处）采集的数据是无效的，因此在软件中需要将该Bit丢弃。

可见，必须根据Master与Slave的实际时序进行匹配，软件也需要进行对应的调整，才能保证数据传输的正常进行。

   多 Slave 的应用

SPI也支持多Slave应用。多个Slave共享时钟线、数据线，可以直接并接在一起；而各Slave的片选线SS则单独与Master连接，受Master控制。在一段时间内，Master只能通过某根SS线激活一个Slave，进行数据传输，而此时其他Slave的时钟线和数据线端口则都应保持高阻状态，以免影响当前数据传输的进行。

   SPI  Vs  I2C

SPI协议没有定义寻址机制，需通过外部SS信号线选择设备，当出现多slave应用时，需要多根SS信号线，实施起来较I2C要复杂。此外，SPI总线不支持总线控制权仲裁，故只能用在单Master的场合；而I2C可以支持多Master的应用。

SPI 协议相对I2C要简单，没有握手机制，数据传输效率高，速率也更快，通常应用中可达几Mbps；此外SPI是全双工通信，可同时发送和接收数据，因此，SPI比较适合用于数据传输的场合。比如需要较大批量数据传输的场合（比如MMC/SD卡的数据传输就支持SPI模式），或者无需寻址传输的场合。

而I2C协议功能较丰富，但也相对复杂，多用在传输一些控制命令字等有意义数据的场合。

比如TSC2046只有一个控制寄存器（一个8bit的命令字），使用SPI接口即可控制，因为无需寻址。而OV的Cmos Sensor内有多个控制寄存器，此时就必须使用I2C接口才能实现寻址控制（哦，确切的是SCCB，一个很像I2C的东东）。

SPI接口属于一种非常基本的外设接口，但是应用却很广泛。SPI也有所发展，比兔NS推出的SPI的精简接口Microwire，满足通常外设的扩展需求。Motorola还推出了扩展功能的QSPI（Queued SPI）接口，应用更为广泛。