SPI接口

SPI接口1.技术性能SPI接口是Motorola首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（MasterSlave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master，多用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSBfirst）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。总线结构如下图所示。2.接口定义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。（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（4）/SS：从器件使能信号，由主器件控制3.内部结构4.传输时序在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA或UCCKPH）。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。SPI总线有四种工作方式(SP0,SP1,SP2,SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI接口时钟配置心得：在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求，因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据，是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。SPI接口有四种不同的数据传输时序，取决于CPOL和CPHL这两位的组合。图1中表现了这四种时序，时序与CPOL、CPHL的关系也可以从图中看出。CPOL决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL＝0为低，CPOL＝1为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，CPHA＝1，在每个周期的第二个时钟沿采样。例如器件工作在模式0这种时序（CPOL＝0，CPHA＝0），所以将上图简化：我们来关注SCK的第一个时钟周期，在时钟的前沿采样数据（上升沿，第一个时钟沿），在时钟的后沿输出数据（下降沿，第二个时钟沿）。首先来看主器件，主器件的输出口（MOSI）输出的数据bit1，在时钟的前沿被从器件采样，那主器件是在何时刻输出bit1的呢？bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前，比SCK的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件，主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的，那从器件又是在何时刻输出bit1的呢。从器件是在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有起效。关于上面的主器件和从器件输出bit1位的时刻，可以从下图中得到验证。注意图中，CS信号有效后（低电平有效，注意CS下降沿后发生的情况），故意用延时程序延时了一段时间，之后再向数据寄存器写入了要发送的数据，来观察主器件输出bit1的情况（MOSI）。可以看出，bit1（值为1）是在SCK信号有效之前的半个时钟周期的时刻开始输出的（与CS信号无关），到了SCK的第一个时钟周期的上升沿正好被从器件采样。图中，注意看CS和MISO信号。我们可以看出，CS信号有效后，从器件立刻输出了bit1（值为1）。通常我们进行的spi操作都是16位的。图记录了第一个字节和第二个字节间的相互衔接的过程。第一个字节的最后一位在SCK的上升沿被采样，随后的SCK下降沿，从器件就输出了第二个字节的第一位。5.数据传输在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：1)主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；2)从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。这是通过移位寄存器来实现的。如下图所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。SPI是一个环形总线结构，由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。上升沿到来的时候，sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。下降沿到来的时候，sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa(10101010)，从机的sbuff=0x55(01010101)，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍(假设上升沿发送数据)。脉冲主机sbuff从机sbuffsdisdo00--010101010010101010010--10101010x101010110111--001010100101010110120--11010100x010101101021--010101001010101101030--10101001x101011010131--001010010101011010140--11010010x010110101041--010100101010110101050--10100101x101101010151--001001010101101010160--11001010x011010101061--010010101011010101070--10010101x110101010171--000101010110101010180--10101010x101010101081--0010101011010101010这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的0--1表示上升沿、1--0表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。6.优缺点SPI接口具有如下优点：1)支持全双工操作；2)操作简单；3)数据传输速率较高。同时，它也具有如下缺点：1)需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；2)只支持单个主机。3)没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。7.实例应用在OLED屏幕接口应用中仅适用了MOSI单线通信，软件实现方面，没有使用标准的SPI接口应用配置，而是独立写了一段8位的上升沿触发下数据的读取记录。接口数据通信代码如下：voidOLED_WR_Byte(u8dat,u8cmd){u8i;if(cmd)OLED_DC_Set();elseOLED_DC_Clr();OLED_CS_Clr();for(i=0;i8;i++){OLED_SCLK_Clr();//delay125nif(dat&0x80)OLED_SDIN_Set();elseOLED_SDIN_Clr();OLED_SCLK_Set();dat=1;//delay125n}OLED_CS_Set();OLED_DC_Set();}