基于S5PC100裸机程序之SPI(上)
作者：杨老师,华清远见嵌入式学院讲师。
SPI作为应用最为广泛的通信总线协议之一，开发人员应当掌握，本章将介绍SPI总线协议的基本理论，以及S5PC100的SPI总线控制器的操作方法。
1. SPI总线协议理论
1.1 协议简介
SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，该协议是由美国摩托罗拉公司推出的一种同步串行传输规范，首先由摩托罗拉公司在其MC68HCXX系列处理器上定义，后主要应 用在 EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
SPI是一种高速的全双工、同步的通信总线，并且在芯片的引脚上只占用四根线，节约了芯片的引脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。
1.2 协议内容
SPI有4个引脚：CS（从器件选择线）、SDO（串行数据输出线）、SDI（串行数据输入线）和SPICLK（同步串行时钟线）。
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，这些脚的定义如下：
（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）SPICLK——时钟信号，由主设备产生。
（4）CS——从设备使能信号，由主设备控制。
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就使在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。其中总线协议时序如图1所示。
图1 SPI总线协议时序
接下来就是负责通信的3根线了。通信是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通信协议，也就是说数 据是一位一位地传输的。这就是SPICLK时钟线存在的原因，由SPICLK提供时钟脉冲，SDO、SDI则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取，完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变 （上沿和下沿为一次）后，就可以完成8位数据的传输。
要注意的是，SPICLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样在一个基于SPI的设备中，至 少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，即其与普通的串行通信不同，普通的串行通信一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一 位一位地传送，甚至允许暂停，因为SPICLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SPICLK时 钟线的控制可以完成对通信的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备 的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义。
在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立地使能信号，在硬件上要比I2C总线控制稍微复杂一些。
注意：
SPI的一个缺点是没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。
SPI 控制器为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传 输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样，如图2所示；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第 二个跳变沿（上升或下降）数据被采样，如图3所示。SPI主控制器和与之通信的外设时钟相位和极性应该一致，另外，上面提到这些特性将在寄存器中具体实 现。
图2 CPHA=0时的情况
图3 CPHA=1时的情况
2 SPI控制器详解
2.1 S5PC100的SPI控制器简介
S5PC100包含了两套8位、16位、32位移位寄存器用于收发。在SPI传输数据时，数据的发送及接收数据是同步的，该总线控制器支持摩托罗拉串行外设接口。
下面是该控制器的特性：
全双工通信方式。
8位、16位、32位移位寄存器。
3时钟源供应。
支持8位、16位、32位总线接口。
支持摩托罗拉SPI协议。
支持两个独立的传输及接收FIFO。
支持主机模式及从机模式。
无法传送条件下接收。
Tx/Rx频率最大支持50MHz。
2.2 时钟源控制
每个SPI都能获得不同的3个时钟源，用户可以根据自己的需要来进行配置，需要设置CLK_CFG这个寄存器，后面将会介绍。
时钟控制器如图4所示。
图4 时钟控制器
2.3 寄存器详解
如表-1所示为SPI配置寄存器。
表1 SPI配置寄存器
| MODE_CFGn | 位 | 描述 | 复位值 |
| CH_WIDTH | [30:29] | 00 = 字节 01 = 半字 10 = 字 11 = 保留 |
0 |
| TRAILING_CNT | [28:19] | 接收FIFO中最后写入字节的个数 | 0 |
| BUS_WIDTH | [18:17] | 00 = 字节 01 = 半字 10 = 字 11 = 保留 |
0 |
如表2所示为时钟配置寄存器。
表2 时钟配置寄存器
| MODE_CFGn | 位 | 描述 | 复位值 |
| CH_WIDTH | [30:29] | 00 = 字节 01 = 半字 10 = 字 11 = 保留 |
0 |
| TRAILING_CNT | [28:19] | 接收FIFO中最后写入字节的个数 | 0 |
| BUS_WIDTH | [18:17] | 00 = 字节 01 = 半字 10 = 字 11 = 保留 |
0 |
如表3所示为SPI模式配置寄存器。
表3 SPI模式配置寄存器
| CLK_CFGn | 位 | 描述 | 复位值 |
| SPI_CLKSEL | [10:9] | 时钟源选择 00 = PCLK 01 = SCLK_SPI_48 10 = SCLK_SPI 11 = 保留 |
0 |
| ENCLK | [8] | 时钟使能 0 = 禁止 1 = 使能 |
0 |
| SPI_SCALER | [7:0] | SPI时钟分频值 SPI 时钟输出 =时钟源 /（2 x（预分值 +1）） |
0 |
如表4所示为SPI数据发送寄存器。
表4 SPI数据发送寄存器
| SPI_TX_DATAn | 位 | 描述 | 复位值 |
| TX_DATA | [31:0] | 该寄存器包含了所要发送的数据 | 0 |
表5所示为SPI数据接收寄存器。
表5 SPI数据接收寄存器
| SPI_RX_DATAn | 位 | 描述 | 复位值 |
| RX_DATA | [31:0] | 该寄存器包含了所要接收的数据 | 0 |
如表6所示为SPI状态寄存器。
表6 SPI状态寄存器
| SPI_STATUSn | 位 | 描述 | 复位值 |
| TX_DONE | [21] | 0 = 其他情况 1 = 发送移位寄存器准备 |
0 |
| RX_FIFO_LVL | [19:13] | RX FIFO 0 ~ 64 字节 | 0 |
| TX_FIFO_LVL | [12:6] | TX FIFO 0 ~ 64 字节 | 0 |
| RX_OVERRUN | [5] | Rx Fifo 溢出错误 0 =无误 1 = 溢出错 |
0 |
| RX_UNDERRUN | [4] | 0 = 无误 1 = 数据缺失 | 0 |
| TX_OVERRUN | [3] | Tx Fifo 溢出错误 0 =无误 1 = 溢出错 |
0 |
| TX_UNDERRUN | [2] | 0 = 无误 1 = 数据缺失 | 0 |
3 SPI接口应用示例
这里将介绍一种通过SPI通信的Flash，该芯片是M24PXX，如图5所示为该芯片的原理图，每根接线的意义已经清楚地标识出来了。
图5 M25PXX原理图
这一款芯片内部集成了12条指令，包括了通用的读、写、配置等命令，还有一个内置的状态寄存器，可以通过该寄存器获取芯片当前状态。
文章来源：华清远见嵌入式学院，原文地址：http://www.embedu.org/Column/Column884.htm