SPI通信协议详解

1、什么是SPI？

SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

2、SPI优点

支持全双工通信、通信简单、数据传输速率块

3、缺点

没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据，所以跟IIC总线协议比较在数据可靠性上有一定的缺陷。

4、特点

1）高速、同步、全双工、非差分、总线式

2）主从机通信模式

5、速率

    SPI是一种事实标准，由Motorola开发，并没有一个官方标准。已知的有的器件SPI已达到50Mbps。具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。

SPI最大传输速率受以下几个条件影响：

    1.SPI的最大时钟频率

    2.CPU处理SPI数据的能力

    3.输出端驱动能力（PCB所允许的最大信号传输速率）

（1）SPI的最大时钟频率

    一般情况下，SPI模块的最大时钟频率为系统时钟频率的1/2。虽然SPI的传输速率主要受限于CPU处理SPI数据的能力，但在同另一个非常高速率的SPI设备通讯时，SPI的最大时钟频率将有可能制约其传输速率。

（2）CPU处理SPI数据的能力

    通常情况下，考虑到系统中CPU有可能需要处理其他任务，以及对所接收SPI数据的具体运算处理方法，CPU处理SPI数据的能力将影响到整体的传输速率。

例如，系统在收到SPI数据后只是作简单的累加。如果当前SPI模块的时钟频率是1/2系统时钟频率，接收每一个SPI byte将需要16个系统时钟周期。那么在下一笔SPI数据接收到之前CPU有足够的时间来处理当前数据，此时SPI的最大传输速率即为系统时钟的1/2。

接下来考虑另外一种情形，假设CPU有50%的时间用于处理其他任务，同时对所接收到的每byte SPI数据，需要100个系统时钟周期来作运算处理。每接收1 byte SPI数据，CPU需要100个时钟周期来作处理，同时需要100个时钟周期来处理其他任务，因此总共需要消耗200个系统时钟周期。用公式表达如下：200 *Tsysclk = 8 * Tspiclk;spiclk = sysclk/25;

因此，在这个例子中，我们可以看出SPI的最大传输速率由CPU处理SPI数据的能力所决定。

（3）输出端驱动能力

最后要考虑的因素是输出节点的驱动力。PCB上的微量电容和器件引脚的输出阻抗相结合，将会形成一个低通滤波器，限制设备间信号的传输速度。通常该滤波器的截止频率可以近似为：

Fmax = 1 /（2 × π × Rdrive * Ctrace）；

其中Rdrive是所驱动的最大阻抗值，Ctrace表示输出节点所驱动的所有微量电容的总和。

在固定阻抗条件下，电路的微量电容将成为制约SPI传输速率的因素。系统中如果设备间的距离非常短（Ctrace较小值），那么CPU的处理能力或SPI的时钟频率将是主要限制因素。如果系统中总线上有多个SPI设备，同时设备间的连线很长（Ctrace较大值），那么输出驱动能力将制约SPI的传输速率。

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四线主机模式：STE为高电平，SIMO和UCLK操作正常；STE为低电平，SIMO和UCLK被置为输入方向，主机控制权让出。

四线从机模式：STE为高电平，从机的发送和接收无效，且把SOMI置为输入方向；STE为低电平，发送接收正常，SOMI也为正常输出。

 

6、协议通信时序详解

1）SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。

(1)SDO/MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入;

(2)SDI/MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出;

(3)SCLK – 时钟信号，由主设备产生;

(4)CS/SS – 从设备使能信号，由主设备控制。当有多个从设备的时候，因为每个从设备上都有一个片选引脚接入到主设备机中，当我们的主设备和某个从设备通信时将需要将从设备对应的片选引脚电平拉低或者是拉高。

 

2）SPI通信有4种不同的模式，不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式，这是不能改变的；但我们的通信双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式，具体如下：

Mode0：CPOL=0，CPHA=0

Mode1：CPOL=0，CPHA=1

Mode2：CPOL=1，CPHA=0 

Mode3：CPOL=1，CPHA=1

时钟极性CPOL是用来配置SCLK的电平出于哪种状态时是空闲态或者有效态，时钟相位CPHA是用来配置数据采样是在第几个边沿：

CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时

CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时

CPHA=0，表示数据采样是在第1个边沿，数据发送在第2个边沿

CPHA=1，表示数据采样是在第2个边沿，数据发送在第1个边沿

例如：

CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平，有效态时SCLK处于高电平，数据采样是在第1个边沿，数据发送是在第2个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿。

CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平，有效态时SCLK处于高电平，数据采样是在第2个边沿，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平，有效态时SCLK处于低电平，数据采集是在第1个边沿，数据发送是在第2个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平，有效态时SCLK处于低电平，数据采样是在第2个边沿，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

需要注意的是：我们的主设备能够控制时钟，因为我们的SPI通信并不像UART或者IIC通信那样有专门的通信周期，有专门的通信起始信号，有专门的通信结束信号；所以我们的SPI协议能够通过控制时钟信号线，当没有数据交流的时候我们的时钟线要么是保持高电平要么是保持低电平。

7、内部工作机制

（1）概述

 

    SSPSR 是 SPI 设备内部的移位寄存器(Shift Register). 它的主要作用是根据SPI时钟信号状态, 往 SSPBUF 里移入或者移出数据, 每次移动的数据大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所决定.

    上图只是对 SPI 设备间通信的一个简单的描述, 下面就来解释一下图中所示的几个组件(Module):

    SSPBUF, Synchronous Serial Port Buffer, 泛指 SPI 设备里面的内部缓冲区, 一般在物理上是以 FIFO 的形式, 保存传输过程中的临时数据;

    SSPSR, Synchronous Serial Port Register, 泛指 SPI 设备里面的移位寄存器(Shift Regitser), 它的作用是根据设置好的数据位宽(bit-width) 把数据移入或者移出 SSPBUF;

    Controller, 泛指 SPI 设备里面的控制寄存器, 可以通过配置它们来设置 SPI 总线的传输模式.

    通常情况下, 我们只需要对上图所描述的四个管脚(pin) 进行编程即可控制整个 SPI 设备之间的数据通信:

    SCK, Serial Clock, 主要的作用是 Master 设备往 Slave 设备传输时钟信号, 控制数据交换的时机以及速率;

    SS/CS, Slave Select/Chip Select, 用于 Master 设备片选 Slave 设备, 使被选中的 Slave 设备能够被 Master 设备所访问;

    SDO/MOSI, Serial Data Output/Master Out Slave In, 在 Master 上面也被称为 Tx-Channel, 作为数据的出口, 主要用于 SPI 设备发送数据;

    SDI/MISO, Serial Data Input/Master In Slave Out, 在 Master 上面也被称为 Rx-Channel, 作为数据的入口, 主要用于SPI 设备接收数据;

    SPI 设备在进行通信的过程中, Master 设备和 Slave 设备之间会产生一个数据链路回环(Data Loop), 就像上图所画的那样, 通过 SDO 和 SDI 管脚, SSPSR 控制数据移入移出 SSPBUF, Controller 确定 SPI 总线的通信模式, SCK 传输时钟信号.

 

（2）时序

 

上图通过 Master 设备与 Slave 设备之间交换1 Byte 数据来说明 SPI 协议的工作机制.

    上图里的 "Mode 1, 1" 说明了本例所使用的 SPI数据传输模式被设置成 CPOL = 1, CPHA = 1. 这样, 在一个 Clock 周期内, 每个单独的 SPI 设备都能以全双工(Full-Duplex) 的方式, 同时发送和接收 1 bit 数据, 即相当于交换了 1 bit 大小的数据. 如果 SPI 总线的 Channel-Width 被设置成 Byte, 表示 SPI 总线上每次数据传输的最小单位为 Byte, 那么挂载在该 SPI 总线的设备每次数据传输的过程至少需要 8 个 Clock 周期(忽略设备的物理延迟). 因此, SPI 总线的频率越快, Clock 周期越短, 则 SPI 设备间数据交换的速率就越快.

（3）SSPSR移位寄存器

 

    

SSPSR 是 SPI 设备内部的移位寄存器(Shift Register). 它的主要作用是根据 SPI 时钟信号状态, 往 SSPBUF 里移入或者移出数据, 每次移动的数据大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所决定.

    Bus-Width 的作用是指定地址总线到Master设备之间数据传输的单位.

    例如, 我们想要往 Master 设备里面的 SSPBUF 写入 16 Byte 大小的数据: 首先, 给 Master 设备的配置寄存器设置 Bus-Width 为 Byte; 然后往 Master 设备的 Tx-Data 移位寄存器在地址总线的入口写入数据, 每次写入 1 Byte 大小的数据(使用 writeb 函数); 写完 1 Byte 数据之后, Master 设备里面的 Tx-Data 移位寄存器会自动把从地址总线传来的1 Byte 数据移入 SSPBUF 里; 上述动作一共需要重复执行 16 次.

    Channel-Width 的作用是指定 Master 设备与 Slave 设备之间数据传输的单位. 与 Bus-Width 相似,  Master 设备内部的移位寄存器会依据 Channel-Width 自动地把数据从 Master-SSPBUF 里通过 Master-SDO 管脚搬运到 Slave 设备里的 Slave-SDI 引脚, Slave－SSPSR 再把每次接收的数据移入 Slave-SSPBUF里.

（4）SSPBUF

 

    我们知道, 在每个时钟周期内, Master 与 Slave 之间交换的数据其实都是 SPI 内部移位寄存器从 SSPBUF 里面拷贝的. 我们可以通过往 SSPBUF 对应的寄存器 (Tx-Data / Rx-Data register) 里读写数据, 间接地操控 SPI 设备内部的 SSPBUF.

    例如, 在发送数据之前, 我们应该先往 Master 的 Tx-Data 寄存器写入将要发送出去的数据, 这些数据会被 Master-SSPSR 移位寄存器根据 Bus-Width 自动移入 Master-SSPBUF 里, 然后这些数据又会被 Master-SSPSR 根据 Channel-Width 从 Master-SSPBUF 中移出, 通过 Master-SDO  管脚传给 Slave-SDI 管脚,  Slave-SSPSR 则把从  Slave-SDI 接收到的数据移入 Slave-SSPBUF 里.  与此同时, Slave-SSPBUF 里面的数据根据每次接收数据的大小(Channel-Width), 通过 Slave-SDO 发往 Master-SDI, Master-SSPSR 再把从 Master-SDI 接收的数据移入 Master-SSPBUF.在单次数据传输完成之后, 用户程序可以通过从 Master 设备的 Rx-Data 寄存器读取 Master 设备数据交换得到的数据.

（5）Controller

 

    Master 设备里面的 Controller 主要通过时钟信号(Clock Signal)以及片选信号(Slave Select Signal)来控制 Slave 设备. Slave 设备会一直等待, 直到接收到 Master 设备发过来的片选信号, 然后根据时钟信号来工作.

    Master 设备的片选操作必须由程序所实现. 例如: 由程序把 SS/CS 管脚的时钟信号拉低电平, 完成 SPI 设备数据通信的前期工作; 当程序想让 SPI 设备结束数据通信时, 再把 SS/CS 管脚上的时钟信号拉高电平.