SPI总线协议的工作机制解析

一、概述

SPI，串行外围设备接口，是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术.SPI总线在物理上是通过接在外围设备微控制器（PICmicro）上面的微处理控制单元（MCU）上叫作同步串行端口（SynchronousSerialPort）的模块（Module）来实现的，它允许MCU以全双工的同步串行方式，与各种外围设备进行高速数据通信。

SPI主要应用在EEPROM，Flash，实时时钟（RTC），数模转换器（ADC），数字信号处理器（DSP）以及数字信号解码器之间。它在芯片中只占用四根管脚（Pin）用来控制以及数据传输，节约了芯片的pin数目，同时为PCB在布局上节省了空间。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片上都集成了SPI技术。

二、特点

1、采用主-从模式（Master-Slave）的控制方式

SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备（Master）来控制次设备（Slave）。一个Master设备可以通过提供Clock以及对Slave设备进行片选（SlaveSelect）来控制多个Slave设备，SPI协议还规定Slave设备的Clock由Master设备通过SCK管脚提供给Slave设备，Slave设备本身不能产生或控制Clock，没有Clock则Slave设备不能正常工作。

2、采用同步方式（Synchronous）传输数据

Master设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲（ClockPulse），时钟脉冲组成了时钟信号（ClockSignal），时钟信号通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）控制着两个SPI设备间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样，来保证数据在两个设备之间是同步传输的。

3、数据交换（DataExchanges）

SPI设备间的数据传输之所以又被称为数据交换，是因为SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个“发送者（Transmitter）”或者“接收者（Receiver）”。在每个Clock周期内，SPI设备都会发送并接收一个bit大小的数据，相当于该设备有一个bit大小的数据被交换了。

一个Slave设备要想能够接收到Master发过来的控制信号，必须在此之前能够被Master设备进行访问（Access）。所以，Master设备必须首先通过SS/CSpin对Slave设备进行片选，把想要访问的Slave设备选上。

在数据传输的过程中，每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样。如果之前接收到的数据没有被读取，那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃，导致SPI物理模块最终失效。因此，在程序中一般都会在SPI传输完数据后，去读取SPI设备里的数据，即使这些数据（DummyData）在我们的程序里是无用的。

三、工作机制

1、概述

上图只是对SPI设备间通信的一个简单的描述，下面就来解释一下图中所示的几个组件（Module）：

SSPBUF，SynchronousSerialPortBuffer，泛指SPI设备里面的内部缓冲区，一般在物理上是以FIFO的形式，保存传输过程中的临时数据；

SSPSR，SynchronousSerialPortRegister，泛指SPI设备里面的移位寄存器（ShiftRegitser），它的作用是根据设置好的数据位宽（bit-width）把数据移入或者移出SSPBUF；

Controller，泛指SPI设备里面的控制寄存器，可以通过配置它们来设置SPI总线的传输模式。

通常情况下，我们只需要对上图所描述的四个管脚（pin）进行编程即可控制整个SPI设备之间的数据通信：

SCK，SerialClock，主要的作用是Master设备往Slave设备传输时钟信号，控制数据交换的时机以及速率；

SS/CS，SlaveSelect/ChipSelect，用于Master设备片选Slave设备，使被选中的Slave设备能够被Master设备所访问；

SDO/MOSI，SerialDataOutput/MasterOutSlaveIn，在Master上面也被称为Tx-Channel，作为数据的出口，主要用于SPI设备发送数据；

SDI/MISO，SerialDataInput/MasterInSlaveOut，在Master上面也被称为Rx-Channel，作为数据的入口，主要用于SPI设备接收数据；

SPI设备在进行通信的过程中，Master设备和Slave设备之间会产生一个数据链路回环（DataLoop），就像上图所画的那样，通过SDO和SDI管脚，SSPSR控制数据移入移出SSPBUF，Controller确定SPI总线的通信模式，SCK传输时钟信号。

2、Timing.

上图通过Master设备与Slave设备之间交换1Byte数据来说明SPI协议的工作机制。

首先，在这里解释一下两个概念：

CPOL：时钟极性，表示SPI在空闲时，时钟信号是高电平还是低电平。若CPOL被设为1，那么该设备在空闲时SCK管脚下的时钟信号为高电平。当CPOL被设为0时则正好相反。

CPHA：时钟相位，表示SPI设备是在SCK管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样，还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样。若CPHA被设置为1，则SPI设备在时钟信号变为下降沿时触发数据采样，在上升沿时发送数据。当CPHA被设为0时也正好相反。

上图里的“Mode1，1”说明了本例所使用的SPI数据传输模式被设置成CPOL=1，CPHA=1.这样，在一个Clock周期内，每个单独的SPI设备都能以全双工（Full-Duplex）的方式，同时发送和接收1bit数据，即相当于交换了1bit大小的数据。如果SPI总线的Channel-Width被设置成Byte，表示SPI总线上每次数据传输的最小单位为Byte，那么挂载在该SPI总线的设备每次数据传输的过程至少需要8个Clock周期（忽略设备的物理延迟）。因此，SPI总线的频率越快，Clock周期越短，则SPI设备间数据交换的速率就越快。

3、SSPSR.

SSPSR是SPI设备内部的移位寄存器（ShiftRegister）。它的主要作用是根据SPI时钟信号状态，往SSPBUF里移入或者移出数据，每次移动的数据大小由Bus-Width以及Channel-Width所决定。

Bus-Width的作用是指定地址总线到Master设备之间数据传输的单位。

例如，我们想要往Master设备里面的SSPBUF写入16Byte大小的数据：首先，给Master设备的配置寄存器设置Bus-Width为Byte；然后往Master设备的Tx-Data移位寄存器在地址总线的入口写入数据，每次写入1Byte大小的数据（使用writeb函数）；写完1Byte数据之后，Master设备里面的Tx-Data移位寄存器会自动把从地址总线传来的1Byte数据移入SSPBUF里；上述动作一共需要重复执行16次。

Channel-Width的作用是指定Master设备与Slave设备之间数据传输的单位。与Bus-Width相似，Master设备内部的移位寄存器会依据Channel-Width自动地把数据从Master-SSPBUF里通过Master-SDO管脚搬运到Slave设备里的Slave-SDI引脚，Slave－SSPSR再把每次接收的数据移入Slave-SSPBUF里。

通常情况下，Bus-Width总是会大于或等于Channel-Width，这样能保证不会出现因Master与Slave之间数据交换的频率比地址总线与Master之间的数据交换频率要快，导致SSPBUF里面存放的数据为无效数据这样的情况。

4、SSPBUF.

我们知道，在每个时钟周期内，Master与Slave之间交换的数据其实都是SPI

内部移位寄存器从SSPBUF里面拷贝的。我们可以通过往SSPBUF对应的寄存器（Tx-Data/Rx-Dataregister）里读写数据，间接地操控SPI设备内部的SSPBUF。

例如，在发送数据之前，我们应该先往Master的Tx-Data寄存器写入将要发

送出去的数据，这些数据会被Master-SSPSR移位寄存器根据Bus-Width自动移入Master-SSPBUF里，然后这些数据又会被Master-SSPSR根据Channel-Width从Master-SSPBUF中移出，通过Master-SDO管脚传给Slave-SDI管脚，Slave-SSPSR则把从Slave-SDI接收到的数据移入Slave-SSPBUF里。与此同时，Slave-SSPBUF里面的数据根据每次接收数据的大小（Channel-Width），通过Slave-SDO发往Master-SDI，Master-SSPSR再把从Master-SDI接收的数据移入Master-SSPBUF。在单次数据传输完成之后，用户程序可以通过从Master设备的Rx-Data寄存器读取Master设备数据交换得到的数据。

5、Controller.

Master设备里面的Controller主要通过时钟信号（ClockSignal）以及片选信号（SlaveSelectSignal）来控制Slave设备。Slave设备会一直等待，直到接收到Master设备发过来的片选信号，然后根据时钟信号来工作。

Master设备的片选操作必须由程序所实现。例如：由程序把SS/CS管脚的时钟信号拉低电平，完成SPI设备数据通信的前期工作；当程序想让SPI设备结束数据通信时，再把SS/CS管脚上的时钟信号拉高电平。