SPI通信
SPI簡介
串行外設接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一種用于短程通信的同步串行通信接口規(guī)范，主要應用于單片機系統中。類似I2C。 這種接口首先被Motorola（摩托羅拉）公司開發(fā)，然后發(fā)展成了一種行業(yè)規(guī)范。典型應用包含SD卡和液晶顯示器。 SPI設備之間使用全雙工模式通信，包含一個主機和一個或多個從機。主機產生待讀或待寫的幀數據，多個從機通過一個片選線路 決定哪個來響應主機的請求。 有時SPI接口被稱作四線程接口，SPI準確來講稱為同步串行接口，但是與同步串行接口協議（SSI）不同，SSI是一個四線程 同步通信協議，但是使用差分信號輸入同時僅提供一個單工通信信道。
SPI總線規(guī)定了4個保留邏輯信號接口：
SCLK（Serial Clock）：串行時鐘，由主機發(fā)出
MOSI（Master Output,Slave Input）：主機輸出從機輸入信號，由主機發(fā)出
MISO（Master Input,Slave Output）：主機輸入從機輸出信號，由從機發(fā)出
SS（Slave Selected）：選擇信號，由主機發(fā)出，低電位有效
SPI總線：單一master對單一slave
SPI總線：單一master對復合slave
雖然上述名稱是現在廣泛在使用的，但是在有些情況下，比如舊的IC，可能與插圖上描述的引腳口名稱不同：
SCLK:SCK
MOSI:SIMO, SDO, DI, DIN, SI, MTSR
MISO:SOMI, SDI, DO, DOUT, SO, MRST
SDIO:SIO
SS: S?S?, SSEL, CS, C?S?, CE, nSS, /SS, SS#
MOSI / MISO慣例要求，在使用備用名稱的設備上，主機上的SDI連接到從機上的SDI，反之亦然。從選擇與芯片選擇相同的功能，而不是尋址概念。引腳名稱始終大寫，如從選擇，串行時鐘和主輸出從輸入。
SPI Operation
SPI總線可以與單個主器件以及一個或多個從器件一起工作。
如果使用單個從器件，如果從器件允許，SS引腳可能會固定為邏輯低電平。有些器件需要下降邊沿的片選信號來啟動一個動作。一個例子是Maxim MAX1242 ADC，它在高→低轉換時開始轉換。對于多個從設備，每個從設備都需要從主站獨立的SS信號。
大多數從器件具有三態(tài)輸出，因此當未選擇器件時，其MISO信號變?yōu)楦咦杩梗ㄟ壿嫈嚅_）。沒有三態(tài)輸出的器件不能與其他器件共享SPI總線段; 只有一個這樣的從設備可以跟主設備說話。
數據傳輸
要開始通信，總線主機使用從設備支持的頻率配置時鐘，通常高達幾MHz。然后主機在選擇行上選擇邏輯電平為0的從設備。如果需要等待時間，例如進行模數轉換，則在發(fā)出時鐘周期之前，主機必須至少等待一段時間。
在每個SPI時鐘周期期間，發(fā)生全雙工數據傳輸。主機在MOSI線路上發(fā)送一個位，從機讀取它，而從機在MISO線路上發(fā)送一個位，主器件讀取它。即使僅需要單向數據傳輸，也保持該序列。
傳輸通常涉及一些給定字大小的兩個移位寄存器，例如8位，主器件中有1位，從器件中有1位。它們以虛擬環(huán)形拓撲連接。數據通常以最高有效位首先移出，同時將新的最低有效位移位到同一寄存器。同時，來自對方的數據被移入最低有效位寄存器。在寄存器位被移出和進入后，主器件和從器件已經交換了寄存器值。如果需要更換數據，則重新裝入移位寄存器，重復該過程。傳輸可以持續(xù)任何數量的時鐘周期。完成后，主站停止切換時鐘信號，通常取消選擇從站。
傳輸通常由8位字組成。然而，其他字大小也是常見的，例如，用于觸摸屏控制器或音頻編解碼器的16位字，例如德州儀器公司的TSC2101 或12位字，用于許多數模轉換器或模數轉換器轉換器。
總線上未使用芯片選擇線激活的每個從器件都必須忽略輸入時鐘和MOSI信號，而不能驅動MISO。
典型的硬件設置使用兩個移位寄存器來形成一個片間循環(huán)緩沖區(qū)，如下圖：
時鐘極性和相位
除了設置時鐘頻率外，主機還必須配置相對于數據的時鐘極性和相位。摩托羅拉SPI指南將這兩個選項分別命名為CPOL和CPHA，大多數廠商都采用了這一慣例。
時序圖如下圖所示。 該時序在下面進一步描述并適用于主設備和從設備。
顯示時鐘極性和相位的時序圖。紅線表示時鐘前沿，藍線，后沿。
CPOL確定時鐘的極性。極性可以用簡單的逆變器轉換。
CPOL = 0是空閑0的時鐘，每個周期由1的脈沖組成。也就是說，前沿是上升沿，后沿是下降沿。
CPOL = 1是空閑1的時鐘，每個周期由0的脈沖組成。也就是說，前沿是下降沿，后沿是上升沿。
CPHA確定數據位相對于時鐘脈沖的定時。在兩種形式之間進行轉換并不是微不足道的。
對于CPHA = 0，“輸出”側在前一時鐘周期的后沿更改數據，而“in”側在時鐘周期的前沿捕獲（或不久之后）數據。外側保持數據有效直到當前時鐘周期的下降沿。對于第一個周期，第一個位必須位于MOSI線前面的前沿時鐘邊沿。
考慮它的另一種方法是說，CPHA = 0周期由時鐘空閑的半周期組成，隨后是時鐘被斷言的半周期。
對于CPHA = 1，“輸出”側在當前時鐘周期的前沿更改數據，而“in”側在時鐘周期的后沿捕獲（或不久之后）數據。外側保持數據有效直到下一個時鐘周期的前沿。對于上一個周期，從機將MISO線保持有效，直到從機選擇被解除。
考慮它的另一種方法是說，CHPA = 1周期由一個半周期組成，時鐘被置位，隨后是一個半周期，時鐘空閑。
MOSI和MISO信號通常在半個周期內穩(wěn)定（在其接收點），直到下一個時鐘轉換。SPI主從設備可能會在該半周期的不同點對數據進行采樣。
這為主站和從站之間的通信通道增加了更多的靈活性。
模式
極性和相位的組合通常被稱為根據以下約定通常編號的模式，CPOL為高位，CPHA為低位位：
對于“Microchip PIC”/“ARM”微控制器（注意，NCPHA是CPHA的反轉）：
另一種常用的符號表示作為（CPOL，CPHA）元組的模式; 例如，值'（0,1）'將指示CPOL = 0和CPHA = 1。
中斷
SPI器件有時使用另一條信號線將中斷信號發(fā)送到主機CPU。實例包括從觸摸屏傳感器落筆中斷，從溫度傳感器熱限制警報，由實時時鐘芯片，發(fā)出警報SDIO，和耳機插孔插入從在蜂窩電話的聲音編解碼器。中斷不在SPI標準的范圍內; 它們的使用既不被禁止也不被標準規(guī)定。
作者：btskyrmb
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來源：簡書
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