转发：ARM®mbed OS入门开发（五 A0）SPI总线协议

anywill 提问时间：2016-10-11 14:38 /

SPI总线协议2016-09-30 Summerain [url=]小白学嵌入式[/url]

【概述】

SPI（Serial Peripheral Interface）总线是主要应用于嵌入式系统内部通信的串行同步传输总线协议。通常为四线制的SPI总线支持全双工通信。SPI总线定义两个及以上设备间的数据传输，提供时钟的设备为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave）。SPI协议特点包括主从模式、全双工通信、片选功能、模式错误标识及CPU中断、缓冲数据寄存器和可配置时钟相位极性等。SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK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SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

【优点和缺点】 优点

支持全双工通信
Push-Pull驱动性能相比Open Drain信号完整性更好，支持高速应用（100MHz以上）
协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长
硬件连接简单
- 只需要四根信号线（部分应用可以缩减到三根）
- 相比I2C节省上拉电阻
- 相比I2C不需要仲裁机制
- 从设备使用主设备时钟，节约时钟要求
- 从设备无需地址寻址
- 无需收发器

缺点

相比I2C两根线，SPI四根线更多
没有寻址机制，只能靠设备片选（chip select）选择不同从设备
没有数据流控制（但主设备可以通过延缓时钟边缘降低传输速度）
没有从设备接收数据ACK应答机制，主设备对于发送成功与否不得而知
只支持单主控
没有定义数据校验机制
相比于RS232和CAN，SPI传输距离短
不支持热插拔

【信号定义】

SPI协议定义四根信号线，分别为：

SCK : Serial Clock 串行时钟
MOSI : Master Output, Slave Input 主发从收信号
MISO : Master Input, Slave Output 主收从发信号
SS : Slave Select 片选信号

其中MISO方向为从设备到主设备，其余三个信号均为主设备到从设备。

【电路连接】

片选信号SS通常低电平有效。SPI数据传输原理是基于主从设备内部移位寄存器的数据交换。在主设备SCK的控制下，待传数据由各自设备的数据寄存器（Data Register）传输到移位寄存器（Shift Register），再通过MOSI和MISO信号线完成主从设备间的数据交换。两个移位寄存器中的内容被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。按位传输，高位MSB在前，低位LSB在后。

SPI主从模式传输示意图

单个主设备和单个从设备的SPI连接比较简单，以上图的表示的就是这种拓扑结构。对于单个主设备同时控制多个不同从设备，可以通过多个片选信号（SS）或菊花链方式（Daisy Chain Configuration）。

【传输模式】

CPOL，即时钟极性Clock Polarity，决定时钟空闲时的电平为高或低。对于SPI数据传输格式没有显著影响。

CPHA，即时钟相位Clock Phase，定义SPI数据传输的两种基本模式：

CPHA = 0

在片选后数据立即出现在MOSI/MISO管脚，数据锁存于第一个时钟边沿
片选SS先于SCK半个时钟有效
在SCK的第二个时钟边沿，上一个时钟边沿锁存的数据写入移位寄存器
以此类推，数据在奇数边沿锁存（采样数据），在偶数边沿写入移位寄存器（输出数据，同时改变I/O管脚数据）
经过16个时钟边沿后，串行传输的数据全部写入（并行的）移位寄存器，完成主从设备的数据交换

CPHA = 1

有些设备要求数据输出在SCK第一个时钟边沿之后，数据锁存于第二个时钟边沿
片选SS先于SCK半个时钟有效
在SCK的第三个时钟边沿，上个时钟边沿锁存的数据写入移位寄存器（MSB或LSB）
以此类推，数据在偶数边沿锁存，在奇数边沿写入移位寄存器
经过16个时钟边沿后，串行传输的数据全部写入（并行的）移位寄存器，完成主从设备的数据交换

Notes:

1. 主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。

2. 在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求，因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。一般来说，从设备都会支持模式00和11（CPOL | CPHA），具体应用时应查看设备SPI的传输模式说明。

3. 如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节（Dummy Byte）来引发从机的传输。当主机发送一个连续的数据流时，有些外设能够进行多字节传输。多数具有SPI接口的存储芯片就以这种方式工作。在这种传输方式下，从机的片选端必须在整个传输过程中保持低电平。此时，一次传输可能会涉及到成千上万字节的信息，而不必在每个字节的数据发送的前后都去检测其起始位和结束位，这正是同步传输方式优于异步传输方式的原因所在。虽然SPI有以上优点，然而在图像传输中却很少用到，原因主要是其抗干扰能力差