SPI阅读笔记

SPI(SerialPeripheralInterface--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。外围设备包括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NSS(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)。接口信号（1）MOSI–主器件数据输出，从器件数据输入%M-Master,O-Output,S-Slave,I-Input（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(Chipselect)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。多个从器件硬件连接示意图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。CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL=0时，表示该设备空闲时SCK引脚的电平为低电平；CPOL=1时，表示该设备空闲时SCK引脚的空闲电平为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0时，在每个周期的第一个时钟沿采样（接受数据），CPHA=1时，在每个周期的第二个时钟沿采样接受数据）。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。但要注意的是，由于主设备的SDO连接从设备的SDI，从设备的SDO连接主设备的SDI，从设备SDI接收的数据是主设备的SDO发送过来的，主设备SDI接收的数据是从设备SDO发送过来的，所以主设备这边SPI时钟极性的配置（即SDO的配置）跟从设备的SDI接收数据的极性是相反的，跟从设备SDO发送数据的极性是相同的。主设备在时钟的下降沿发送数据，从设备在时钟的上升沿接收数据。因此主设备这边SPI时钟极性应该配置为下降沿有效。在数据传输的过程中,每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样.如果之前接收到的数据没有被读取,那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃,导致SPI物理模块最终失效.因此,在程序中一般都会在SPI传输完数据后,去读取SPI设备里的数据,即使这些数据(DummyData)在我们的程序里是无用的工作机制1.概述上图只是对SPI设备间通信的一个简单的描述,下面就来解释一下图中所示的几个组件(Module):SSPBUF,SynchronousSerialPortBuffer,泛指SPI设备里面的内部缓冲区,一般在物理上是以FIFO的形式,保存传输过程中的临时数据;SSPSR,SynchronousSerialPortRegister,泛指SPI设备里面的移位寄存器(ShiftRegitser),它的作用是根据设置好的数据位宽(bit-width)把数据移入或者移出SSPBUF;Controller,泛指SPI设备里面的控制寄存器,可以通过配置它们来设置SPI总线的传输模式.通常情况下,我们只需要对上图所描述的四个管脚(pin)进行编程即可控制整个SPI设备之间的数据通信:SCK,SerialClock,主要的作用是Master设备往Slave设备传输时钟信号,控制数据交换的时机以及速率;SS/CS,SlaveSelect/ChipSelect,用于Master设备片选Slave设备,使被选中的Slave设备能够被Master设备所访问;SDO/MOSI,SerialDataOutput/MasterOutSlaveIn,在Master上面也被称为Tx-Channel,作为数据的出口,主要用于SPI设备发送数据;SDI/MISO,SerialDataInput/MasterInSlaveOut,在Master上面也被称为Rx-Channel,作为数据的入口,主要用于SPI设备接收数据;SPI设备在进行通信的过程中,Master设备和Slave设备之间会产生一个数据链路回环(DataLoop),就像上图所画的那样,通过SDO和SDI管脚,SSPSR控制数据移入移出SSPBUF,Controller确定SPI总线的通信模式,SCK传输时钟信号.2.Timing.上图通过Master设备与Slave设备之间交换1Byte数据来说明SPI协议的工作机制.首先,在这里解释一下两个概念:CPOL:时钟极性,表示SPI在空闲时,时钟信号是高电平还是低电平.若CPOL被设为1,那么该设备在空闲时SCK管脚下的时钟信号为高电平.当CPOL被设为0时则正好相反.CPHA:时钟相位,表示SPI设备是在SCK管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样,还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样.若CPHA被设置为1,则SPI设备在时钟信号变为下降沿时触发数据采样,在上升沿时发送数据.当CPHA被设为0时也正好相反.上图里的Mode1,1说明了本例所使用的SPI数据传输模式被设置成CPOL=1,CPHA=1.这样,在一个Clock周期内,每个单独的SPI设备都能以全双工(Full-Duplex)的方式,同时发送和接收1bit数据,即相当于交换了1bit大小的数据.如果SPI总线的Channel-Width被设置成Byte,表示SPI总线上每次数据传输的最小单位为Byte,那么挂载在该SPI总线的设备每次数据传输的过程至少需要8个Clock周期(忽略设备的物理延迟).因此,SPI总线的频率越快,Clock周期越短,则SPI设备间数据交换的速率就越快.3.SSPSR.SSPSR是SPI设备内部的移位寄存器(ShiftRegister).它的主要作用是根据SPI时钟信号状态,往SSPBUF里移入或者移出数据,每次移动的数据大小由Bus-Width以及Channel-Width所决定.Bus-Width的作用是指定地址总线到Master设备之间数据传输的单位.例如,我们想要往Master设备里面的SSPBUF写入16Byte大小的数据:首先,给Master设备的配置寄存器设置Bus-Width为Byte;然后往Master设备的Tx-Data移位寄存器在地址总线的入口写入数据,每次写入1Byte大小的数据(使用writeb函数);写完1Byte数据之后,Master设备里面的Tx-Data移位寄存器会自动把从地址总线传来的1Byte数据移入SSPBUF里;上述动作一共需要重复执行16次.Channel-Width的作用是指定Master设备与Slave设备之间数据传输的单位.与Bus-Width相似,Master设备内部的移位寄存器会依据Channel-Width自动地把数据从Master-SSPBUF里通过Master-SDO管脚搬运到Slave设备里的Slave-SDI引脚,Slave－SSPSR再把每次接收的数据移入Slave-SSPBUF里.通常情况下,Bus-Width总是会大于或等于Channel-Width,这样能保证不会出现因Master与Slave之间数据交换的频率比地址总线与Master之间的数据交换频率要快,导致SSPBUF里面存放的数据为无效数据这样的情况.4.SSPBUF.我们知道,在每个时钟周期内,Master与Slave之间交换的数据其实都是SPI内部移位寄存器从SSPBUF里面拷贝的.我们可以通过往SSPBUF对应的寄存器(Tx-Data/Rx-Dataregister)里读写数据,间接地操控SPI设备内部的SSPBUF.例如,在发送数据之前,我们应该先往Master的Tx-Data寄存器写入将要发送出去的数据,这些数据会被Master-SSPSR移位寄存器根据Bus-Width自动移入Master-SSPBUF里,然后这些数据又会被Master-SSPSR根据Channel-Width从Master-SSPBUF中移出,通过Master-SDO管脚传给Slave-SDI管脚,Slave-SSPSR则把从Slave-SDI接收到的数据移入Slave-SSPBUF里.与此同时,Slave-SSPBUF里面的数据根据每次接收数据的大小(Channel-Width),通过Slave-SDO发往Master-SDI,Master-SSPSR再把从Master-SDI接收的数据移入Master-SSPBUF.在单次数据传输完成之后,用户程序可以通过从Master设备的Rx-Data寄存器读取Master设备数据交换得到的数据.5.Controller.Master设备里面的Controller主要通过时钟信号(ClockSignal)以及片选信号(SlaveSelectSignal)来控制Slave设备.Slave设备会一直等待,直到接收到Master设备发过来的片选信号,然后根据时钟信号来工作.Master设备的片选操作必须由程序所实现.例如:由程序把SS/CS管脚的时钟信号拉低电平,完成SPI设备数据通信的前期工作;当程序想让SPI设备结束数据通信时,再把SS/CS管脚上的时钟信号拉高电平