一文看懂SPI协议

SPI协议简介

板卡内不同芯片间通讯最常用的三种串行协议：UART、I2C、SPI，之前写过串口协议及其FPGA实现，今天我们来介绍SPI协议，SPI是Serial Perripheral Interface的简称，是由Motorola公司推出的一种高速、全双工的总线协议。

与IIC类似，SPI也是采用主从方式工作，主机通常为FPGA、MCU或DSP等可编程控制器，从机通常为EPROM、Flash，AD/DA，音视频处理芯片等设备。一般由SCLK、CS、MOSI，MISO四根线组成，有的地方可能是：SCK、SS、SDI、SDO等名称，都是一样的含义，当有多个从机存在时，通过CS来选择要控制的从机设备。和标准SPI类似的协议，还有TI的SSP协议，区别主要在片选信号的时序上。

4线还是3线？

当我们谈到SPI时，默认情况下都是指标准的4线制Motorola SPI协议，即SCLK，MOSI，MISO和CS共4根数据线，标准4线制的好处是可以实现数据的全双工传输。当只有一个主机和一个从机设备时，只需要一个CS，多个从机需要多个CS，各数据线的介绍：

• SCLK，时钟信号，时钟频率即SPI速率，和SPI模式有关
• MOSI，主机输出，从机输入，主机数据
• MISO，主机输入，从机输出
• CS，从机设备选择，低电平有效。

3线制SPI，根据不同的应用场景，主要有以下2种类型：

• 只有3根线：SCLK，MOSI和CS，没有MISO数据线，适用于单工通讯，主机只发送或只接收从机的数据。
• 只有3根线：SCLK，SDIO和CS，这里的SDIO作为双向端口，适用于半双工通讯，比如ADI的多款ADC芯片都支持双向传输。在使用FPGA操作双向端口时，作为输入时要设置为高阻态z。

还有标准SPI协议的升级版，Dual SPI、Quad SPI和QPI等，这些协议不在本小节3线/4线制讨论的范围内，文章后面会提到。

4种工作模式

既然是进行数据传输，双方就要明确从机在什么时刻去采样主机发出的数据，主机在什么时刻去读取从机发来的数据。对于STM32等MCU自带的硬件SPI外设来说，可能没有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是对于使用使用GPIO模拟或者FPGA来实现SPI的时序，这一点是非常非常重要的，这就涉及到SPI标准协议的工作模式了，通过CPOL（Clock Polarity）时钟极性和CPHA（Clock Phase）时钟相位的不同组合，可以分为4种模式。

一般从机器件的工作模式是固定的，主机需要采用一样的工作模式，双方才能正常“交流”。

CPOL=0表示，SCK在空闲状态时为0
CPOL=1表示，SCK在空闲状态时为1
CPHA=0表示，在SCK第一个边沿时输入输出数据有效
CPHA=1表示，在SCK第二个边沿时输入输出数据有效

这四种模式中，应用最广泛的是模式0和3，大多数SPI器件都同时支持这两种工作模式，其实这些都不重要，具体采用什么模式，看你的器件手册就知道了。

以我最近工作中使用到的一款Cypress的铁电存储器FM25V05为例，在其官方DataSheet上介绍同时支持SPI Mode 0和Mode 3，

根据后面的时序图，可以得知SPI mode 0的读写时序，图中可以看出SCK空闲状态为低电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。

对于SPI mode3，SCK空闲状态为高电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。

模式1和模式2同理，模式1即CPOL=0，CPHA=1，SCK空闲为0，在SCK第二个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。

模式2即CPOL=1，CPHA=0，SCK空闲为1，在SCK第一个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。

在一些自带SPI硬件外设的MCU上，设置主机的SPI模式非常简单，只需要配置几个寄存器的值即可，而且是写了SCK高电平还是低电平，和第一个还是第二个边沿，不用去记忆等于0还是等于1。以STM32F103硬件SPI配置为例：

SPI_InitTypeDef  SPI_InitStruct;

SPI_InitStruct.SPI_Mode =SPI_Mode_Master;       //主
.....
SPI_InitStruct.SPI_CPOL =SPI_CPOL_High; //SCK空闲时为高电瓶
SPI_InitStruct.SPI_CPHA =SPI_CPHA_1Edge;//SCK第一个边沿有效
.....
SPI_Init(SPI2,&SPI_InitStruct);

而在FPGA中实现，需要严格根据时序来控制SCK和数据的输入输出。

多种传输速率

SCK的速率就是SPI的传输速率，SPI协议没有一个固定的速率，不像IIC标准模式100K，快速模式400K，高速模式3.4M，SPI的传输速率取决于器件本身支持多高的速率，器件手册里都有描述，以FM25V05铁电EPROM为例：

不同电源电压情况下的最大SCK时钟频率：

SPI协议的基本时序

CS为低电平时，表示对应的从机设备被使能，在每个SCLK周期可以传输1Bit数据，采样时刻取决于器件支持的SPI mode，根据不同SPI器件的控制方法，在进行正式的数据读写操作前，一般需要先写入控制字，然后是寄存器地址和数据。下图是FM25V05铁电存储器采用SPI模式0的写时序：

读时序：

如果要使用FPGA来实现SPI时序，在CS下降沿和SCLK第一个边沿，或CS上升沿和SCLK最后一个边沿之间要留有一定的延迟时间，一般是0.5个SCLK周期。

一些SPI从机设备支持菊花链连接模式，即节省GPIO，又不会占据太多布线面积，但并不是所有的SPI器件都支持菊花链模式。

控制时序：

SPI协议的升级版

传统标准的SPI协议，一个SCLK周期只能传输1Bit数据，能不能一个SCLK传输多个Bit数据呢？答案是可以的。Motorola公司在现有的标准4线SPI协议上，又开发出了多种SPI协议的升级版，通过增加数据线位数的方式，来提高数据传输的效率，目前很多Flash厂家都已经支持多种SPI协议。

以比较常用的一款SPI Flash ROM W25Q128FW为例，在其器件手册上写着除了标准的4线SPI模式，还支持Dual SPI，Quad SPI，QPI等，在这几种模式下，IO0/1/2/3这些IO作为双向端口，大大增加了数据读写的速率。

QSPI协议读写时序：

一些支持QSPI协议的Flash芯片型号：

FPGA实现SPI协议

FPGA实现UART、SPI、IIC等串行时序，最常用的就是状态机大法，将各个步骤分解为各个状态，然后根据不同的状态去控制输出或读取输入，细节方面需要考虑数据的对齐、建立和保持时间、一些异常情况时状态的跳转，不能进入死循环，或卡死在某一个状态。

下图的波形是使用Xilinx FPGA对一款铁电存储器FM25V05的驱动，采用标准4线SPI协议，和IIC接口的ERPOM操作方式类似：先写控制字，再写地址，再写数据或者读数据，SCK时钟频率40MHz，使用ChipScope抓取到的实际读写波形，在SCK低电平中间数据改变，在SCK上升沿左右数据要保持稳定。

SPI写时序，需要注意的是先写使能命令，然后重新产生CS信号，这一块卡了好久，在官方示例的C代码中才发现了问题所在，还是对手册上的时序理解不到位。

SPI读时序，先写控制字，再写16位地址，然后读8位数据。

SPI和IIC的对比

• SPI是全双工，而IIC是半双工。
• IIC支持多主机多从机模式，而SPI只能有一个主机。
• 从GPIO占用上来看，IIC占用更少的GPIO，更节省资源。
• SPI的数据位宽更灵活，可以根据需要选择多位数据宽度。
• SPI协议没有响应机制，主机无法得知从机是否接收到所发的数据，如果不采取一些方法的话可能会导致数据丢帧。
• 正是因为没有复杂的响应机制，SPI协议可以做到非常高的速率(上百兆)，每一个SCK都可以进行数据的传输，通过引入CRC校验等校验方法，可以即高速传输数据，又能保持数据的准确度。
• IIC通过器件地址来选择从机，从机数量的增加不会导致GPIO的增加，而SPI通过CS选择从机，每增加一个从机就要多占用一个GPIO，当然也可以通过加入译码器来实现多从机控制。
• 两者大多都应用于板内器件短距离通讯。

总结

使用FPGA来实现SPI时序，最大的好处就是灵活，时序可以根据需要精确的定制，可以实现非常高的速率，特别是同时驱动多片芯片上有很大的优势，在一些高速AD采集的场合必须使用FPGA来实现，难点就是做起来比较麻烦，需要一点点的调试，仿真，虽然FPGA也有一些现成的IP可以使用，但还是不够灵活。不像STM32等MCU那样有现成的库函数和寄存器简单几行代码配置一下，就可以实现主从模式、SPI模式、数据位宽、多种速率、单线双线、半双工全双工、DMA等等。总之，FPGA和MCU各有优点，也各有不足，根据需求来选择吧！无论采用什么控制器实现，只要根据数据手册严格控制时序，就没有什么协议是不能搞定的！