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    SPI工作原理

    2018-04-13 10:18:05 浏览次数:776

    SPI接口的全稱是"Serial Peripheral Interface",意為串行外圍接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應用在EEPROM, FLASH,實時時鐘,AD轉換器,還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。

    SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數據傳輸,在主器件的移位脈衝下,數據按位傳輸,高位在前,地位在後,為全雙工通信,數據傳輸速度總體來說比I2C總線要快,速度可達到幾Mbps。

      SPI接口是以主從方式工作的,這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件,其接口包括以下四種信號:

    (1)MOSI – 主器件數據輸出,從器件數據輸入
    (2)MISO – 主器件數據輸入,從器件數據輸出
    (3)SCLK – 時鐘信號,由主器件產生
    (4)/SS – 從器件使能信號,由主器件控制

    在點對點的通信中,SPI接口不需要進行尋址操作,且為全雙工通信,顯得簡單高效。

    在多個從器件的系統中,每個從器件需要獨立的使能信號,硬件上比I2C系統要稍微複雜一些。

    SPI接口在內部硬件實際上是兩個簡單的移位寄存器,傳輸的數據為8位,在主器件產生的從器件使能信號和移位脈衝下,按位傳輸,高位在前,低位在後。如下圖所示,在SCLK的下降沿上數據改變,同時一位數據被存入移位寄存器。

    最後,SPI接口的一個缺點:沒有指定的流控制,沒有應答機制確認是否接收到數據。

    SPI(Serial Peripheral Interface,串行外圍設備接口)是由Motorola公司開發,用來在微控制器和外圍設備芯片之間提供一個低成本、易使用的接口(SPI有時候也被稱為4線接口)。這種接口可以用來連接存儲器(存儲數據)、A/D轉換器、D/A轉換器、實時時鐘日曆、LCD驅動器、傳感器、音頻芯片,甚至其他處理器。支持SPI的元件很多,並且還一直在增加。

    與標準的串行接口(將在第10章講到)不同,SPI是一個同步協議接口,所有的傳輸都參照一個共同的時鐘,這個同步時鐘信號由主機(處理器)產生,接收數據的外設(從設備)使用時鐘來對串行比特流的接收進行同步化。可能會有許多芯片連到主機的同一個SPI接口上,這時主機通過觸發從設備的片選輸入引腳來選擇接收數據的從設備,沒有被選中的外設將不會參與SPI傳輸。

    SPI主要使用4個信號:主機輸出/從機輸入(MOSI)、主機輸入/主機輸出(MISO)、串行SCLK或SCK和外設芯片(CS)。有些處理器有SPI接口專用的芯片選擇,稱為從機選擇(SS)。

    MOSI信號由主機產生,從機接收。在有些芯片上,MOSI只被簡單的標為串行輸入(SI),或者串行數據輸入(SDI)。MISO信號由從機產生,不過還是在主機的控制下產生的。在一些芯片上,MISO有時被稱為串行輸出(SO)或串行數據輸出(SDO)。外設片選信號通常只是由主機的備用I/O引腳產生的。下左圖是微處理器通過SPI和外設進行連接的示意圖。

    主機和外設都包含一個串行移位寄存器,主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節來發起一次傳輸。寄存器是通過MOSI信號線將字節傳送給外設,外設也將自己移位寄存器中的內容通過MISO信號線返回給主機,如上右圖所示。這樣,兩個移位寄存器中的內容就被交換了。外設的寫操作和讀操作是同步完成的,因此SPI成為一個很有效的協議。

    如果只是進行寫操作,主機只需忽略收到的字節;反過來,如果主機要讀取外設的一個字節,就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸。

    當主機發送一個連續的數據流時,有些外設能夠進行多字節傳輸。許多擁有SPI接口的存儲器芯片都以這種方式工作。在這種傳輸方式下,SPI外設的芯片選擇端必須在整個傳輸過程中保持低電平。比如,存儲器芯片會希望在一個“寫”命令之後緊接着收到的是4個地址字節(起始地址),這樣後面接收到的數據就可以存儲到該地址。一次傳輸可能會涉及千字節的移位或更多的信息。

    其他外設只需要一個單字節(比如一個發給A/D轉換器的命令),有些甚至還支持菊花鏈連接,如下圖所示。

    在這個例子中,主機處理器從其SPI接口發送3個字節的數據。第1個字節發送給外設A,當第2個字節發送給外設A的時候,第1個字節已移出了A,而傳送給了B。同樣,主機想要從外設A讀取一個結果,它必須再發送一個3字節(空字節)的序列,這樣就可以把A中的數據移到B中,然後再移到C中,最後送回主機。在這個過程中,主機還依次從B和C接收到字節。

    注意,菊花鏈連接不一定適用於所有的SPI設備,特別是要求多字節傳輸的(比如存儲器芯片)設備。另外,要對外設芯片的數據表進行仔細分析,確定能對它做什麼而不能做什麼。如果芯片的數據表中沒有明確提到菊花鏈連接,那麼該芯片不支持這種連接的幾率為50%。

    根據時鐘極性和時鐘相位的不同,SPI有4個工作模式。時鐘極性有高、低兩極:時鐘極性為低電平時,空閑時時鐘(SCK)處於低電平,傳輸時跳轉到高電平;時鐘極性為高電平時,空閑時時鐘處於高電平,傳輸時跳轉到低電平。

    時鐘相位有兩個:時鐘相位0和時鐘相位1。對於時鐘相位0,如果時鐘極性是低電平,MOSI和MISO輸出在(SCK)的上升沿有效。如果時鐘電平極性為高,對於時鐘相位0,這些輸出在SCK的下降沿有效。MISO輸出的第X位是一個未定義的附加位,是SPI接口特有的情況。用戶不必擔心這個位,因為SPI接口將忽略該位。

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