SPI 协议简介

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface),即串行外围设备接口,是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU间,要求通讯速率较高的场合

一、SPI 物理层

SPI 通讯设备之间的常用连接方式如下图所示
SPI 协议简介_第1张图片

SPI 通讯使用 3 条总线及片选线,3 条总线分别为 SCK、MOSI、MISO,片选线为SS,它们的作用介绍如下:

  • SS ( Slave Select):从设备选择信号线,常称为片选信号线,也称为 NSS、CS,以下用 NSS 表示。当有多个 SPI 从设备与 SPI 主机相连时,设备的其它信号线 SCK、MOSI 及 MISO 同时并联到相同的 SPI 总线上,即无论有多少个从设备,都共同只使用这 3 条总线;而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线,本信号线独占主机的一个引脚,即有多少个从设备,就有多少条片选信号线。 I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯;而 SPI 协议中没有设备地址,它使用 NSS 信号线来寻址,当主机要选择从设备时,把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平,该从设备即被选中,即片选有效,接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI 通讯。所以SPI 通讯以 NSS 线置低电平为开始信号,以 NSS 线被拉高作为结束信号。
  • SCK (Serial Clock):时钟信号线,用于通讯数据同步。它由通讯主机产生,决定了通讯的速率,两个设备之间通讯时,通讯速率受限于低速设备。
  • MOSI (Master Output, Slave Input):主设备输出/从设备输入引脚。 主机的数据从这条信号线输出,从机由这条信号线读入主机发送的数据,即这条线上数据的方向为主机到从机。
  • MISO(Master Input,,Slave Output):主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据,从机的数据由这条信号线输出到主机,即在这条线上数据的方向为从机到主机。

二、协议层

与 I2C 的类似,SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

1. SPI 基本通讯过程

SPI 通讯时序图
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  • 这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生,而 MISO 的信号由从机产生,主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效,在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。 以上通讯流程中包含的各个信号分解如下:

2. 通讯的起始和停止信号

  • 在SPI通讯时序图的标号1处,NSS 信号线由高变低,是 SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线,当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后,就知道自己被主机选 中了,开始准备与主机通讯。在图中的标号6处,NSS 信号由低变高,是 SPI 通讯的停止信号,表示本次通讯结束,从机的选中状态被取消。

3. 数据有效性

  • SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据,使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据,且数据输入输出是同时进行的。数据传输时,MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定,但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定,一般都会采用上图中的 MSB 先行模式。
  • 观察图中的2345标号处,MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出,在 SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻,MOSI 及 MISO 的数据有效,高电平时表示数据“1”,为低电平时表示数据“0”。在其它时刻,数据无效,MOSI 及 MISO为下一次表示数据做准备。SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位,每次传输的单位数不受限制

4.CPOL/CPHA 及通讯模式

  • 上面讲述的图中的时序只是 SPI 中的其中一种通讯模式,SPI 一共有四种通讯模式,它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明,在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。
  • 时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时,SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时, SCK 在空闲状态时为低电平,CPOL=1 时,则相反。
  • 时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻,当 CPHA=0 时,MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时,数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。见下图所示。

CPHA=0 时的 SPI 通讯模
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  • 我们来分析这个 CPHA=0 的时序图。首先,根据 SCK 在空闲状态时的电平,分为两种情况。SCK 信号线在空闲状态为低电平时,CPOL=0;空闲状态为高电平时,CPOL=1。
  • 无论 CPOL=0 还是=1,因为我们配置的时钟相位 CPHA=0,在图中可以看到,采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿。注意当 CPOL=0 的时候,时钟的奇数边沿是上升沿,而CPOL=1 的时候,时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变,数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样,在非采样时刻,MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。
  • 类似地,当 CPHA=1 时,不受 CPOL 的影响,数据信号在 SCK 的偶数边沿被采样,如下图所示。

CPHA=1 时的 SPI 通讯模式SPI 协议简介_第4张图片

  • 由 CPOL 及 CPHA 的不同状态,SPI 分成了四种模式,见下表,主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯,实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。
    SPI 协议简介_第5张图片

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