SPI - 同步、全雙工的串行外設(shè)接口
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SPI(Serial Peripheral Interface - 同步外設(shè)接口)總線是一種用于短距離通信（主要是嵌入式系統(tǒng)中）的同步串行通信接口規(guī)范，雖然沒有正式的國際標準，但這種接口協(xié)議由Motorola發(fā)明迄今經(jīng)過很多廠商的支持，已經(jīng)成了一種事實標準，被廣泛用于各種MCU處理器中，同傳感器，串行ADC、DAC、存儲器、SD卡以及LCD等進行數(shù)據(jù)連接。由于沒有統(tǒng)一的國際標準，SPI出現(xiàn)了很多不同的協(xié)議選項，例如不同的Word大??；每個設(shè)備都有自己的協(xié)議定義，包括是否支持命令；有些設(shè)備只發(fā)送，其它的則只是接收；有的片選是高有效，有的則是低有效；有的協(xié)議先發(fā)送最低位。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/202312/454088.htm
當前的處理器中幾乎都有SPI和I2C和UART接口
數(shù)字接口的傳感器也采用SPI和I2C
FPGA也將SPI、I2C硬化在器件內(nèi)部方便各種外設(shè)的連接
主、從器件之間的連接及數(shù)據(jù)傳輸方式
多個SPI設(shè)備可以通過全雙工的模式同單一的Master以主、從結(jié)構(gòu)進行通信。主、設(shè)備發(fā)起讀、寫，多個從設(shè)備通過獨立的片選信號（SS - Slave Select）被尋址。
SPI總線：單主多從連接
有時SPI也被稱為四線串行總線，主要是與3線、2線、1線串行總線進行區(qū)分，雖然SPI可以準確地描述為一個同步串行接口，但它與同步串行接口（SSI）協(xié)議還是不同的，SSI同樣也是一種4線同步串行通信協(xié)議，但SSI采用的是差分信號，且只提供了一個簡單的通信信道。
動畫1顯示數(shù)據(jù)從器件A移出到器件B，從器件B移出到器件A.
SPI的技術(shù)實現(xiàn)
接口信號
工作模式
SPI總線可以工作在一個主設(shè)備／一個或多個從設(shè)備的模式。 如果只有一個從設(shè)備，SS管腳可以直接接地（從設(shè)備允許的話），有些從設(shè)備需要片選信號的下降沿來啟動傳輸，一個例子就是美信公司的串行ADC MAX1242，通過一個高電平到低電平的轉(zhuǎn)換標記傳輸?shù)钠鹗肌Ｈ绻卸鄠€從設(shè)備，每個從設(shè)備需要一個獨立的SS信號連接到主設(shè)備。
多數(shù)從設(shè)備的輸出是三態(tài)的，當該從設(shè)備沒有被選中的時候它們的MISO信號就為高阻（邏輯上斷開連接）。不具有三態(tài)輸出的器件是不能同其它器件共享SPI總線部分的，只能是一個從設(shè)備跟主設(shè)備相連。
SPI的時鐘采樣
通過多個從片選信號（SSN）配置
在標準的SPI配置中，主設(shè)備可以通過使能相應的從設(shè)備，即通過將相應設(shè)備的從選擇線（SSN或SS）設(shè)置為邏輯低電平，通過共享的公共數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)寫入各個從設(shè)備或由各個從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。 應注意不要同時使能多個從設(shè)備，因為返回到主設(shè)備的數(shù)據(jù)將在MISO線路之間的驅(qū)動器上產(chǎn)生競爭導致無法進行數(shù)據(jù)的判讀。在某些應用中不需要將數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備，在這種情況下，如果主設(shè)備想要將相同的數(shù)據(jù)發(fā)送到多個從設(shè)備，則可以同時尋址多個從設(shè)備。
在多從設(shè)備選擇配置中，每個從設(shè)備都需要來自主設(shè)備的唯一從設(shè)備選擇線（SS、SSN或CSn）。如果主設(shè)備沒有足夠的I/O引腳用于所需數(shù)量的從設(shè)備，則使用解碼/解復用器（例如74HC(T)238(3到8線)來實現(xiàn)I/O擴展）。
菊花鏈配置
在這種配置中，數(shù)據(jù)從一個設(shè)備移動到下一個設(shè)備， 最終的從設(shè)備可以將數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備（給FPGA編程的JTAG在給多個器件編程的時候也常用這種方式）。
在菊花鏈配置中，所有從設(shè)備共享一條公共的從選擇線（SS）。 數(shù)據(jù)從主設(shè)備傳輸?shù)降谝粋€從設(shè)備，然后從第一個從設(shè)備傳輸?shù)降诙€從設(shè)備，依此下去，數(shù)據(jù)沿著線路級聯(lián)，直到系列中的最后一個從設(shè)備，最后的一個從設(shè)備使用其MISO線路將數(shù)據(jù)傳送到主設(shè)備。
這種配置非常適合于主設(shè)備的信號引腳有限的場景。
4種傳輸模式
每次數(shù)據(jù)傳輸都是先將SSN（有的器件命名為SS，從選擇線）被驅(qū)動為邏輯低電平時開始。由時鐘的極性（CPOL）和相位（CPHA）構(gòu)成了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式（0,1,2,3），分別對應四種可能的時鐘配置。
具有非反相時鐘極性（即，當從器件選擇轉(zhuǎn)換為邏輯低時，時鐘處于邏輯低電平）：
使用反相時鐘極性（即，當從器件選擇轉(zhuǎn)換為邏輯低時，時鐘處于邏輯高電平）：
由于主設(shè)備一般為可以編程各種模式的控制器/處理器或者可以靈活編程的FPGA，因此在使用SPI連接的時候要認真閱讀自己選用的從設(shè)備的工作模式，以便在時序上滿足傳輸?shù)囊蟆?/p>
SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髟O(shè)備端代碼示例
以下是一段主設(shè)備工作于CPOL=0、CPHA=0模式時的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a，每次傳輸為8位，此示例采用C語言。由于工作于CPOL=0， 在片選被選中之前要把時鐘拉低，片選信號必須使能，也就是說在數(shù)據(jù)傳輸之前要將外設(shè)的片選信號電平變低，并在傳輸結(jié)束以后不再“使能”。 多數(shù)的外設(shè)允許或需要在片選信號選中以后進行多次傳輸，次子程序也許需要被多次調(diào)用。
/*
* Simultaneously transmit and receive a byte on the SPI.
*
* Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
* - input data is captured on rising edge of SCLK.
* - output data is propagated on falling edge of SCLK.
*
* Returns the received byte.
*/uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out){
uint8_t byte_in = 0;
uint8_t bit; for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1)
{
/* Shift-out a bit to the MOSI line */
write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW); /* Delay for at least the peer's setup time */
delay(SPI_SCLK_LOW_TIME); /* Pull the clock line high */
write_SCLK(HIGH); /* Shift-in a bit from the MISO line */
if (read_MISO() == HIGH)
byte_in |= bit; /* Delay for at least the peer's hold time */
delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME); /* Pull the clock line low */
write_SCLK(LOW);
}
return byte_in;
}SPI的優(yōu)點和缺點
優(yōu)點
缺點
SPI的主要應用
與并行I/O總線相比，SPI能夠大大節(jié)省電路板的空間，因此在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，對于大多數(shù)片上系統(tǒng)處理器而言都是如此，這些處理器都具有較高端的32位處理器，例如使用ARM、MIPS或PowerPC的處理器以及其它微控制器，如AVR、PIC和MSP430等。 這些芯片通常包括能夠以主模式或從模式運行的SPI控制器，也可以使用SPI接口對系統(tǒng)內(nèi)可編程AVR控制器（包括空白控制器）進行編程。
基于芯片或FPGA的設(shè)計有時使用SPI在內(nèi)部的組件之間進行通信，即便是片內(nèi)，其面積的節(jié)省也像電路板上一樣非常重要。
全雙工功能使SPI非常簡單、高效、適用于單主/單從機應用。 一些設(shè)備使用全雙工模式為數(shù)字音頻、數(shù)字信號處理或電信信道等應用實現(xiàn)高效、快速的數(shù)據(jù)流，但大多數(shù)現(xiàn)成的芯片都采用半雙工請求/響應協(xié)議。
SPI被用來同各種外設(shè)通信，例如：
對于高性能系統(tǒng)，F(xiàn)PGA有時使用SPI作為主機的從機接口、作為傳感器的主機、或者如果它們是基于SRAM的，則用于引導的閃存。
雖然SPI總線和JTAG（IEEE 1149.1-2013）協(xié)議之間存在一些相似之處，但它們不可互換。 SPI總線用于器件外設(shè)的高速、板載初始化，而JTAG協(xié)議旨在通過板外控制器（有著比較低精度的信號延遲和偏斜參數(shù)）提供對I/O引腳的可靠測試訪問。 JTAG協(xié)議不是嚴格意義上的電平敏感接口，它通過降低時鐘速率或改變時鐘的占空比來支持JTAG器件在建立和保持違規(guī)的情況下能夠恢復。 因此，JTAG接口不是用來支持極高的數(shù)據(jù)速率的。
協(xié)議分析及調(diào)試設(shè)備
主適配卡
有許多使用USB的硬件解決方案可以利用運行Linux、Mac或Windows的計算機支持SPI主控和/或從屬功能。其中許多還提供腳本和/或編程功能（Visual Basic，C / C ++，VHDL等）。
SPI主機適配器允許用戶直接從PC在SPI總線上扮演主站的角色。它們用于嵌入式系統(tǒng)、芯片（FPGA/ASIC/SoC）和外設(shè)測試、編程和調(diào)試。
SPI適配器的關(guān)鍵參數(shù)包括：串行接口支持的最大頻率、命令到命令延遲以及SPI命令的最大長度。目前市場上可以找到支持高達100MHz串行接口的SPI適配器，幾乎無限制的訪問長度。
SPI協(xié)議是事實上的標準，一些SPI主機適配器還能夠支持超越傳統(tǒng)4線SPI的其他協(xié)議（例如，支持四SPI協(xié)議或其他源自SPI的定制串行協(xié)議）。
SPI適配器的示例（制造商按字母順序）：
| 生產(chǎn)商 | SPI Host適配卡 | Host總線 | 支持的總線協(xié)議 | 最高頻率 |
|---|---|---|---|---|
| Byte Paradigm | SPI Storm | USB | SPI, dual/quad, custom | 100 MHz |
| Corelis | BusPro-S | USB | SPI, dual/quad | 60 MHz |
| HydraBus | HydraBus-HydraFW | USB | SPI | 42 MHz |
| Microchip | MCP2210 Kit | USB | SPI | 12 MHz |
| National Instruments | USB-8452 | USB | I2C, SPI | 50 MHz |
| Total Phase | Cheetah SPI Host Adapter | USB | SPI | 40 MHz |
| Total Phase | Promira Serial Platform | USB, Ethernet | I2C, SPI, single/dual/quad, and eSPI | 80 MHz |
| Dangerous Prototypes | Bus Pirate | USB | 1-Wire, I2C, SPI, JTAG*, Asynchronous serial, Scriptable binary bitbang, UART | varies |
協(xié)議分析儀
SPI協(xié)議分析儀可以對SPI總線進行采樣并對電信號進行解碼分析，以提供在特定總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的更高級別視圖。SPI協(xié)議分析儀示例（制造商按字母順序排列）：
| 廠商 | 分析儀的型號 | 上位機的總線 | 支持的總線協(xié)議 | 最高采樣率 | 其它 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saleae Logic Pro 16 | USB | SPI, I2C, serial, custom | 500 Mega-samples/second | Analog (50Msps) | |
| TechTools | DigiView Logic Analyzers | USB | SPI, I2C, CAN, Async, Sync, I2S, State, Custom | 500Msps | Extendable with custom plugins |
| Total Phase | Beagle I2C/SPI Protocol Analyzer | USB | SPI, I2C, MDIO | 50Msps | |
| Total Phase | Promira Serial Platform | USB, Ethernet | eSPI |
示波器
每個主要的示波器供應商都為SPI提供了基于示波器的觸發(fā)和協(xié)議解碼，大多數(shù)支持2線、3線和4線SPI。 觸發(fā)和解碼功能通常作為可選附件提供。SPI信號可通過模擬示波器通道或數(shù)字MSO通道進行訪問。
邏輯分析儀
在開發(fā)和/或排除SPI總線故障時，檢查硬件信號非常重要。 邏輯分析儀是收集、分析、解碼和存儲信號的工具，因此人們可以用它來查看高速波形。 邏輯分析儀顯示每個信號電平變化的時間戳，這有助于發(fā)現(xiàn)協(xié)議問題。大多數(shù)邏輯分析儀都能夠?qū)⒖偩€信號解碼為高級協(xié)議數(shù)據(jù)并顯示ASCII數(shù)據(jù)。
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