SPI總線簡介及原理

SPI通信

該總線通信基于主-從配置。它有以下4個信號：

MOSI:主出/從入

MISO:主入/從出

SCK:串行時鐘

SS:從屬選擇

芯片上“從屬選擇”(slave-select)的引腳數(shù)決定了可連到總線上的器件數(shù)量。

在SPI傳輸中，數(shù)據(jù)是同步進行發(fā)送和接收的。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘基于來自主處理器的時鐘脈沖，摩托羅拉沒有定義任何通用SPI的時鐘規(guī)范。然而，最常用的時鐘設(shè)置基于時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)兩個參數(shù)，CPOL定義SPI串行時鐘的活動狀態(tài)，而CPHA定義相對于SO-數(shù)據(jù)位的時鐘相位。CPOL和CPHA的設(shè)置決定了數(shù)據(jù)取樣的時鐘沿。

數(shù)據(jù)方向和通信速度

SPI傳輸串行數(shù)據(jù)時首先傳輸最高位。波特率可以高達5Mbps，具體速度大小取決于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件傳輸速度能達到5MHz。

SPI總線接口及時序

SPI總線包括1根串行同步時鐘信號線以及2根數(shù)據(jù)線。

SPI模塊為了和外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時鐘相位和極性應該一致。SPI接口時序如圖3、圖4所示。

SPI是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數(shù)據(jù)交換。
假設(shè)下面的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。
那么第一個上升沿來的時候數(shù)據(jù)將會是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來的時候，sdi上的電平將所存到寄存器中去，那么這時寄存器=0101010sdi，這樣在8個時鐘脈沖以后，兩個寄存器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成里一個spi時序。
例子：
假設(shè)主機和從機初始化就緒：并且主機的sbuff=0xaa，從機的sbuff=0x55，下面將分步對spi的8個時鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍:假設(shè)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)

這樣就完成了兩個寄存器8位的交換，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相對于主機而言的。其中ss引腳作為主機的時候，從機可以把它拉底被動選為從機，作為從機的是時候，可以作為片選腳用。根據(jù)以上分析，一個完整的傳送周期是16位，即兩個字節(jié)，因為，首先主機要發(fā)送命令過去，然后從機根據(jù)主機的名準備數(shù)據(jù)，主機在下一個8位時鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來

SPI 總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO;用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點有:可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù);可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發(fā)送結(jié)束中斷標志;寫沖突保護;總線競爭保護等。圖3示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實線表示):

SPI總線的四種工作方式

SPI模塊為了和外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時鐘相位和極性應該一致。SPI接口時序如圖3、圖4所示。

二，.SPI功能模塊的設(shè)計

根據(jù)功能定義及SPI的工作原理，將整個IP Core分為8個子模塊：uC接口模塊、時鐘分頻模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO模塊、接收數(shù)據(jù)FIFO模塊、狀態(tài)機模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)邏輯模塊、接收數(shù)據(jù)邏輯模塊以及中斷形式模塊。

深入分析SPI的四種傳輸協(xié)議可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)一種協(xié)議，只要對串行同步時鐘進行轉(zhuǎn)換，就能得到其余的三種協(xié)議。為了簡化設(shè)計規(guī)定，如果要連續(xù)傳輸多個數(shù)據(jù)，在兩個數(shù)據(jù)傳輸之間插入一個串行時鐘的空閑等待，這樣狀態(tài)機只需兩種狀態(tài)（空閑和工作）就能正確工作。