通信协议学习笔记（一）- SPI协议

概述

SPI（Serial Perripheral Interface）串行外围设备接口，是摩托罗拉公司推出的一种同步串行接口技术，它允许 MCU 以全双工的同步串行方式, 与各种外围设备进行高速数据通信，是一种高速的，全双工，同步的通信技术。

应用

SPI 主要应用在 EEPROM，Flash,，实时时钟(RTC)，数模转换器(ADC)，数字信号处理器(DSP) 以及数字信号解码器之间。

特点

1. 高速、同步、全双工、非差分、总线式
2. 主从机通信模式

SPI通信原理

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)。

• CS/SS – 从设备使能信号，由主设备控制。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CS信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的CS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CS线置低电平为开始信号，以CS线被拉高作为结束信号；
• SCLK – 时钟信号线，用于通讯数据同步，由主设备产生，决定了通讯的速率；
• SDO/MOSI – 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；
• SDI/MISO – 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;

当有多个SPI 从设备与SPI主机相连时，设备的其它信号线SCK、SDI及SDO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CS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。

SPI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。

• 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、 CS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，SCK 在空闲状态时为高电平；
• 时钟相位CPHA ：是指数据的采样的时刻，当CPHA=0 时，SDI 或SDO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；

注：SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的

SPI模式	CPOL	CPHA	空闲时SCK 时钟	采样时刻
0	0	0	低电平	奇数边沿
1	0	1	低电平	偶数边沿
2	1	0	高电平	奇数边沿
3	1	1	高电平	偶数边沿

SPI通信时序

上图为时钟相位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。SDO和SDI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，也就是偶数边沿，SDO和SDI的有效信号发生切换。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，在奇数边沿进行信号切换。

软件模拟SPI时序举例

使用软件SPI通信协议发送16bit数据，MSB先行，时钟极性CPOL = 1，时钟相位CPHA = 0，伪代码如下：

   :拉高时钟 SCK						//空闲状态为高电平
	拉高片选 CS
	拉低片选 CS
	循环开始：0 ≤ i < 16
		判断写入数据最高位是否为1
		如果是，拉高数据线SDO
		如果不是，拉低数据线SDO
		延时
		拉低时钟 SCK					//奇数边沿采样
		延时
		拉高时钟 SCK
		写入数据左移一位
	循环结束
	拉高片选 CS
	程序结束

参考文献：零死角玩转STM32—F429