SPI接口 介绍

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MotorolaSPI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)。

虽然SPI接口的内容非常简单,但本文仍将就其中的一些容易忽视的问题进行讨论。

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。只有当SS-信号线为低电平时,对应Slave设备的SPI接口才处于工作状态。

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MasterSlaveSlaveMaster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MOSIMISO,这是站在信号线的角度来命名的。

MOSIWhen master, out line; when slave, in line

MISOWhen 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,MasterMOSI引脚应与SlaveMOSI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

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MasterSlave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。

其实这个问题本来很简单的,但由于不同厂家产品的命名习惯可能不同,因此还需小心,以免低级出错。

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○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MasterSlave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TSC2046Master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MasterSlave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。

 

 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。

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OVCmos 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QSPIQueued SPI)接口,应用更为广泛。

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