SPI

自己对LPC2131 SPI的总结归纳：

1、时钟极性选择位CPOL：决定SCK的有效位。当CPOL=0时，SCK高有效；当CPOL=1时，SCK低有效；

2、时钟相位选择位CPHA：决定操作的时间沿。所有情况的采样数据时刻为：CPHA=0时，SCK从Idle到Active沿（有效沿）；CPHA=1时，SCK从Active到Idle沿（无效沿）；

3、驱动第一个数据位：CPHA=0时，在第一个有效沿之前；CPHA=1时，在第一个无效沿（及第二个时钟沿）

     驱动其他数据：均是在SCK从Active到Idle沿（无效沿）

 

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源：http://www.rd3721.com/tech/ShowInfo.asp?InfoID=491&Page=1

 

SPI 串行外设接口总线，最早由Motorola提出，。SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的。但正因为没有确切的版本协议，不同家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法直接互连（需要软件进行必要的修改）。

 

 

SPI ( Serial Peripheral Interface )

SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。

时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。

     

SPI接口信号线

SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。

 

设备选择线SS-（Slave select，或CS-）

SS-线用于选择激活某Slave设备，低有效，由Master驱动输出。

 

SCLK：同步时钟信号线，

SCLK用来同步主从设备的数据传输，由Master驱动输出，Slave设备按SCK的步调接收或发送数据。

 

串行数据线：

SPI接口数据线是单向的，共有两根数据线，分别承担Master到Slave、Slave到Master的数据传输；但是不同厂家的数据线命名有差别。

Motorola的经典命名是MOSI和MISO，这是站在信号线的角度来命名的。

MOSI：When master, out line; when slave, in line

MISO：When master, in line; when slave, out line

比如MOSI，该线上数据一定是Master流向Slave的。因此在电路板上，Master的MOSI引脚应与Slave的MOSI引脚连接在一起。双方的MISO也应该连在一起，而不是一方的MOSI连接另一方的MISO。【232与与之不同，因没有主从】

不过，也有一些产家（比如Microchip）是按照类似SDI,SDO的方式来命名，这是站在器件的角度根据数据流向来定义的。

SDI：串行数据输入

SDO：串行数据输出

这种情况下，当Master与Slave连接时，就应该用一方的SDO连接另一个方的SDI。

由于SPI接口数据线是单向的，故电路设计时，数据线连接一定要正确，必然是一方的输出连接另一方的输入。

 

数据传输的时序模式

为了适用不同产品接口应用需要，SPI接口定义了多种时序传输模式，并可通过设置接口单元寄存器中的相关控制位来选择。在Motorola的产品中，时序即是由两个控制位（极性控制、相位控制）来控制的。

 

 

 

时钟极性选择位CPOL：

在设备被使能激活后，还未进行数据传输时或两个字节数据传输间歇期间（见图3中的○1与○2处），SCLK处于空闲（Idle）电平，通过"CPOL空闲状态极性控制位"可以选择此空闲电平电平是0还是1。

 

时钟相位选择位CPHA：

该控制位用来选择数据接收端设备的采样时刻。可能在Idle to Active的跳变沿（见图3中的红色圈处），也可能在Active to Idle的跳变沿（见图3中的蓝色圈处）。在该采样时刻，线上数据必须已经稳定可靠，因此数据发送端设备应提前将数据移出到数据线上。为了降低设计难度，大部分接口电路都是用同一时钟周期中前一个时钟沿（即相反时钟变化方向）将数据移出。

SPI线上的Master，Slave设备必须根据具体情况设置匹配的传输时序模式，时序只有匹配，数据传输才能正常进行。如果设置的不匹配，可能导致数据接收方和发送方在同一时钟沿作用，导致数据传输失败。

    

我们以手机设计中非常流行的触摸屏控制器TSC2046为例，介绍SPI接口的实际应用。

由于TSC2046采样触摸屏信息并量化出最高位需要一定时间，而SPI总线没有握手机制，为避免Master过早的启动传输，接收无效数据，TSC2046引入了BUSY信号作为TSC2046向Master的指示。

TSC2046是在时钟的第一个Idle to Active沿采集数据（下图1处），而在第一个（下一字节）Active to Idle 沿开始移出数据（下图2处），这导致Master只能在第二个dle to Active沿采集到的数据才是有效的（下图3处），而在第一个Idle to Active沿（下图1处）采集的数据是无效的，因此在软件中需要将该Bit丢弃。

可见，必须根据Master与Slave的实际时序进行匹配，软件也需要进行对应的调整，才能保证数据传输的正常进行。

  

多Slave的应用

SPI也支持多Slave应用。多个Slave共享时钟线、数据线，可以直接并接在一起；而各Slave的片选线SS则单独与Master连接，受Master控制。在一段时间内，Master只能通过某根SS线激活一个Slave，进行数据传输，而此时其他Slave的时钟线和数据线端口则都应保持高阻状态，以免影响当前数据传输的进行。

         

SPI  Vs  I2C

SPI协议没有定义寻址机制，需通过外部SS信号线选择设备，当出现多slave应用时，需要多根SS信号线，实施起来较I2C要复杂。此外，SPI总线不支持总线控制权仲裁，故只能用在单Master的场合；而I2C可以支持多Master的应用。

SPI 协议相对I2C要简单，没有握手机制，数据传输效率高，速率也更快，通常应用中可达几Mbps；此外SPI是全双工通信，可同时发送和接收数据，因此，SPI比较适合用于数据传输的场合。比如需要较大批量数据传输的场合（比如MMC/SD卡的数据传输就支持SPI模式），或者无需寻址传输的场合。

而I2C协议功能较丰富，但也相对复杂，多用在传输一些控制命令字等有意义数据的场合。

比如TSC2046只有一个控制寄存器（一个8bit的命令字），使用SPI接口即可控制，因为无需寻址。而OV的Cmos Sensor内有多个控制寄存器，此时就必须使用I2C接口才能实现寻址控制（哦，确切的是SCCB，一个很像I2C的东东）。

SPI接口属于一种非常基本的外设接口，但是应用却很广泛。SPI也有所发展，比兔NS推出的SPI的精简接口Microwire，满足通常外设的扩展需求。Motorola还推出了扩展功能的QSPI（Queued SPI）接口，应用更为广泛。

 

 

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源：http://www.52rd.com/Blog/Detail_RD.Blog_wenqing1025_11280.html

 

 

1 SPI通信
SPI信号线:一般的SPI接口使用4条信号线与外围设备接口，其具体功能如下：

• SCLOCK： 主机的时钟线，为数据的发送和接收提供同步时钟信号。每一位数据的传输都需要1次时钟作用， 因而发送或接收1个字节的数据都需要8个时钟作用。主机的时钟可以通过固件进行设置，并和从机的时钟线相连。
• MISO：主机输入/从机输出数据线。主机的MOSO应与从机的发送数据端相连，进行高位在前的数据交换。
• SS：低电平有效的从机选择线。当该线置低时，才能跟从机进行通信。

SPI工作模式:SPI的工作模式分为：主模式和从模式。

• 主模式的特点是不论发送还是接收始终有SCLOCK信号，SS信号不是必需的， 由于SPI只能有一个主机， 因而不存在主机的选择问题。
• 从模式的特点是无论发送还是接收必须在时钟信号SCLOCK的作用下才能进行，并且SS信号必须有效。

    不论是在主模式下还是在从模式下，都要在时钟极性和时钟相位的配合下才能有效的完成一次数据传输。

 

2 SPI接口的单线应用
    在标准的SPI接口间进行通信时，SPI总线的四条信号线中： 主机SCLOCK与从机SCLOCK相连； 主机MISO与从机MOSI相连；主机MOSI与从机MISO 相连； 主机控制信号线与从机的SS相连。在SPI接口与非标准接口进行通信时，例如与有的串行RAM 接口，由于双向I/O数据线只有一条，时钟和片选信号线都有，那么如何利用SPI的高速特性进行数据的读出和写入呢?
    在这里提出SPI的单线应用方案，其如图1所示。主机的时钟信号SCLOCK 和片选信号SS与从机的对应信号线相连， 不同的是主机的MOSI和MISO信号线分别经过合适的电阻与从机的I/O信号线相连。当主机给从机发送数据时，在时钟信号的作用下，数据从MOSI口线经电阻1到从机的I/O 口线；当主机接收数据时，也需要在时钟信号的作用下，数据从从机的I/O口线经电阻2到主机的MISO口线。该方案中MOSI与MISO连在一起， 由于加了适当的电阻，所以不违反电路设计原则，但如果电阻大小不当会对信号的特性带来影响 。
 
图1 SPI单线应用方案

 

3 SPI接口的单线应用举例
    本例是作者设计的单片机，ADuC812的SPI总线与射频无线通信模块nRF2401间的通信接口，由于nRF2401只支持I/O数据传输方式，但是为了提高无线通信的数据速率，作者采用单线方式实现了SPI与nRF2401的通信。

电路设计
    ADuC812的SPI与nRF2401的连接原理如图2所示。其中ADuC812作为主机，nRF2401作为从机，PWR、CE、CS是nRF2401的工作模式选择信号，他们共同完成从机的片选任务，相当于SS信号。CLK1是ADuC812串行时钟信号。根据信号阻抗匹配原则，通信中选用两个6K 的电阻。ADuC812单片机的SPI接口由SPICON (SPI控制寄存器)、SPIDAT (SPI数据寄存器)来控制， 通过设定SPICON 寄存器的各位实现SPI的各种工作模式。
 
图2 ADuC812的SPI与nRF2401的连接原理
    控制寄存器SPICON中从高到低各位说明如下：

• ISPI： 中断标志位。当发送或接收1字节数据完毕时自动置1．当执行中断服务程序时，硬件自动清除该位。该位也可以通过软件控制。
• WCOL：写冲突错误标志位。
• SPE：SPI使能位。若SPE=0，则I2C串行口工作；若SPE=1，则SPI串行口工作。
• SPIM：主模式选择位。若SPIM=0，则SPI工作于从模式；若SPIM=1，则SPI工作于主模式。
• CPOL：时钟极性选择位。CPOL=0，在主机时钟下降沿时读取数据，各数据字节之间传输时，时钟处于高电平空闲状态；CPOL=1，在主机时钟上升沿时读取数据，各数据字节之间传输时，时钟处于低电平空闲状态。
• CPHA；时钟相位选择位。CPHA=0，传输数据的最高位在SS的下降沿出现，在时钟第1个前沿读入，之后的下一个数据位在时钟后沿出现，
  在下一个前沿读入，直到8位数据读完；CPHA=1，传输数据在时钟前沿出现，在同一时钟周期的后沿读入。
• SPR1、SPR0：SPI波特率选择位。

    接口程序设计 固件程序主要包括：SPI口初始化程序INITSPI，送数据程序SENDDATA，接收数据程RECEIVEDATA。
    在SPI初始化程序中，控制寄存器SPICON设置为33H， 即CPOL=0，CPHA=0， 当设置CPOL= 1，CPHA=1时， 由于干扰脉冲的存在，ADuC812与NRF2401不能很好的同步。
    在发送数据子程序中，向数据寄存器SPIDAT写数据，如产生中断标志，说明数据传输完毕，则可以发送下一个数据。
    在接收子程序中， 由于nRF2401送数据的时钟是由ADuC812的SCLOCK 产生的， 所以执行接收数据指令MOVA，SPIDAT时先要对数据寄存器SPIDAT 写数据0，也就是执行指令MOVA,SPIDAT，其目的是为了产生接收数据时的时钟信号， 当单片机向SPIDAT 写数据0时，nRF2401通过DATA 口向单片机送数据，改写SPIDAT 的内容，这就是所接收的数据。

SPI单线方案在实际应用应注意以下问题：
(1)时钟相位与时钟极性的设置。其设置要跟从机的数据读写时序相一致， 在一致时也要注意干扰问题。
(2)所加电阻值的大小。阻值的大小关系到信号传输的阻抗匹配问题，同时也影响数据传输的速率，所以在选用电阻时一般取几K 的电阻。

 

 

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http://hi.baidu.com/chinaunion/blog/item/604065605befdf42eaf8f823.html

 

在SPI传输中，数据是同步进行发送和接收的。数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲，摩托罗拉没有定义任何通用SPI的时钟规范。然而，最常用的时钟设置基于时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数，CPOL定义SPI串行时钟的活动状态，而CPHA定义相对于SO-数据位的时钟相位。CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。

数据方向和通信速度
        SPI传输串行数据时首先传输最高位。波特率可以高达5Mbps，具体速度大小取决于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件传输速度能达到5MHz。

 

SPI总线接口及时序
SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。
SPI模块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的影响。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。SPI主模块和与之通信的外设应时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图3、图4所示。

 

SPI是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
       假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
       那么第一个上升沿来的时候数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将所存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。
       例子：
       假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据

 

脉冲	主机sbuff	从机sbuff	sdi	sdo
0	10101010	01010101	0	0
1上	0101010x	1010101x	0	1
1下	01010100	10101011	0	1
2上	1010100x	0101011x	1	0
2下	10101001	01010110	1	0
3上	0101001x	1010110x	0	1
3下	01010010	10101101	0	1
4上	1010010x	0101101x	1	0
4下	10100101	01011010	1	0
5上	0100101x	1011010x	0	1
5下	01001010	10110101	0	1
6上	1001010x	0110101x	1	0
6下	10010101	01101010	1	0
7上	0010101x	1101010x	0	1
7下	00101010	11010101	0	1
8上	0101010x	1010101x	1	0
8下	01010101	10101010	1	0

这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。其中ss引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来

SPI 总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。图3示出SPI总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式(实线表示):

图2   SPI总线四种工作方式

SPI模块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的影响。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。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图3、图4所示。

 

二.SPI功能模块的设计

根据功能定义及SPI的工作原理，将整个IP Core分为8个子模块：uC接口模块、时钟分频模块、发送数据FIFO模块、接收数据FIFO模块、状态机模块、发送数据逻辑模块、接收数据逻辑模块以及中断形式模块。

深入分析SPI的四种传输协议可以发现，根据一种协议，只要对串行同步时钟进行转换，就能得到其余的三种协议。为了简化设计规定，如果要连续传输多个数据，在两个数据传输之间插入一个串行时钟的空闲等待，这样状态机只需两种状态（空闲和工作）就能正确工作。