10.3　SPI协议

10.3　SPI协议

10.3.1　SPI总线协议概述

同步外设接口（SPI）是由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FRAM和显示驱动器之类的慢速外设器件通信。

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行同步通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。SPI接口由SDI（串行数据输入）、SDO（串行数据输出）、SCK（串行移位时钟）、CS（从使能信号）四种信号构成。CS决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通信。通信时，数据由SDO输出，SDI输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI读入，这样经过8/16次时钟的改变，完成8/16位数据的传输。

10.3.2　SPI通信

该总线通信基于主-从配置。它有以下4个信号：

MOSI：主出/从入；

MISO：主入/从出；

SCK：串行时钟；

SS：从属选择。芯片上“从属选择”（slave-select）的引脚数决定了可连到总线上的器件数量。

在SPI传输中，数据是同步进行发送和接收的。数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲，摩托罗拉没有定义任何通用SPI的时钟规范。然而，最常用的时钟设置基于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个参数，CPOL定义SPI串行时钟的活动状态，而CPHA定义相对于数据位的时钟相位。CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。

10.3.3　数据方向和通信速度

SPI传输串行数据时首先传输最高位。波特率可以高达5Mb/s，具体速度大小取决于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件传输速度能达到5MHz。

10.3.4　SPI总线接口及时序

SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。

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，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主模块和与之通信的外设时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图10-13、图10-14所示。

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图10-13　CPHA=0时SPI总线数据传输时序

图10-14　CPHA=1时SPI总线数据传输时序

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。

假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

那么第一个上升沿来的时候数据将会是SDO=1，寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，SDI上的电平将锁存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010SDI，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成了一个SPI时序。

假设主机和从机初始化就绪：并且主机的SBUFF=0xaa，从机的SBUFF=0x55，表10-6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）。

表10-6　SPI的8个时钟周期的数据情况

续表

这样就完成了两个寄存器8位的交换，表10-6中的“上”表示上升沿、“下”表示下降沿，SDI、SDO是相对于主机而言的。其中SS引脚作为主机的时候，从机可以把它拉低被动选为从机，作为从机的时候，可以作为片选脚用。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命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信：一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO；用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通信。SPI的主要特点有：可以同时发送和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。SPI总线工作的四种方式如图10-15所示，其中使用得最为广泛的是SPI0和SPI3方式（实线表示）。

图10-15　SPI总线四种工作方式