SPI通信协议学习笔记

1.1 SPI协议简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线（SPI相比于IIC具有更高的通信速率）。现在越来越多的芯片集成了SPI通信协议，如FLASH、AD转换器、SD卡（其实就是flash）等。

SPI 通讯协议的优点是支持全双工通信，通讯方式较为简单，且相对数据传输速率较快；缺点是没有指定的流控制，没有应答机制确认数据是否接收。

流控方面：SPI缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙。IIC存在ACK应答信号,所以有流控机制。

SPI的通信原理比较简单，它以主从方式工作，通常有一个主设备（此处指FPGA）和一个或多个从设备（此处指SD卡）。

一主多从（无论有多少个从设备，都共同使用这 3 条总线；而每个从设备都有独立的这一条 CS_N 信号线，低电平有效）

1.2 CPOL/CPHA 及通讯模式

SPI 通讯协议一共有四种通讯模式，模式 0、模式 1、模式 2 以及模式 3，这 4 种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义，不同的从设备在出厂时被厂家配置为其中一种模式，模式是不允许用户修改的。

CPOL控制着SPI_CLK的时钟极性，时钟极性变化如下图所示：

模式0：CPOL = 0，CPHA = 0；

模式1：CPOL = 0，CPHA = 1；

模式2：CPOL = 1，CPHA = 0；

模式3：CPOL = 1，CPHA = 1。

由上图可知，当CPOL = 1时，SPI_CLK在空闲时为高电平，发起通信后的第一个时钟沿为下降沿；CPOL = 0时，SPI时钟信号SPI_CLK空闲时为低电平，发起通信后的第一个时钟沿为上升沿。

CPHA用于控制数据与时钟的对齐模式，其不同模式下的时序图如下图所示：

由上图可知，当CPHA = 1时，时钟的第一个变化沿（上升沿或者下降沿）数据开始改变，那么也就意味着时钟的第2个变化沿（与第一个变化沿相反）锁存数据；当CPHA = 0时，数据在时钟的第一个变化沿之前就已经改变，并且保持稳定，也就意味着在时钟的第一个变化沿锁存数据。

CPHA = 0，数据采样是在 SCK 时钟的奇数边沿，CPHA = 1，数据采样是在 SCK 时钟的偶数边沿。

1.3 SPI 基本通讯过程

此图表示的是主机视角的通讯时序。SCK、MOSI、CS_N 信号均由主机控制产生，SCK 是时钟信号，用以同步数据，MOSI 是主机输出从机输入信号，主机通过此信号线传输数据给从机，CS_N 为片选信号，用以选定从机设备，低电平有效；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 CS_N 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。

• 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MSB先行模式。
• 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。
• SPI接口，模式0中，主机只需要负责：1.在奇数沿采集从机输出的数据（从机采集数据由具体的外设来负责，只需确保主机和从机在同一个协议模式下工作即可）；2.在偶数沿放置写入从机的数据。
• 主机数据MOSI写入从机的同时，也会从 从机中读出数据MOSI。

参考文献：

1.征途Pro《FPGA Verilog开发实战指南——基于Altera EP4CE10》

2.《开拓者FPGA开发指南》