嵌入式系统低速接口SPI讲解

云深之无迹 2023-08-14 947

描述

我一直以为SPI比IIC难的，因为可能是因为使用了比较“重型”的传感器才会搭配这个接口。

但是今天用FPGA写了一个简单的移位寄存器，感觉不一样，甚至是不对劲。

移位寄存器按照移位方向可分为左移位寄存器、右移位寄存器、双向移位寄存器。

这个图记住，菊花链也跑不了

这个是STM32F103的主从设备的示意

MOSI脚相互连接，MISO脚相互连接。这样，数据在主和从之间串行地传输(MSB位在前)。通信总是由主设备发起。主设备通过MOSI脚把数据发送给从设备，从设备通过MISO引脚回传数据。这意味全双工通信的数据输出和数据输入是用同一个时钟信号同步的；时钟信号由主设备通过SCK脚提供。

其实最近一段时间我频繁在机器人系统里面，比如FPGA和ARM的控制核之间，发现它们之间的交互都是使用SPI。也就是说设计人员需要具有简单的设备到设备数字接口的微控制器、外设和传感器，以便可以高速处理任意长度的数据，并且省去与协议相关的复杂编程任务。

基本SPI全双工连接使用两条数据线（MOSI、MISO）、一条时钟线 (SCK) 和一条片选线 (CS)。从设备上的MOSI有时标记为从设备数据输入 (SDI)。MISO可标记为从设备数据输出 (SDO)。

两种处理多个从设备连接的配置。直接连接方式下每个从设备需要一个片选信号。菊花链连接方式仅使用一个片选信号，并将所有数据集中在一条线上。

主要看箭头，多个从机

菊花链

在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI 时钟。

来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。

在图所示的8位系统中，为使第3个从机能够获得数据，需要24个时钟脉冲，而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。

一般Master设备就是我们的MCU，Master 设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲(Clock Pulse)，时钟脉冲组成了时钟信号(Clock Signal) ，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。

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(不管主设备好还是从设备)，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/CS pin 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(Dummy Data)在我们的程序里是无用的(虽然发送后紧接着的读取是无意义的，但仍然需要从寄存器中读出来)。

在SPI通信期间，数据的发送（串行移出到MOSI/SDO总线上）和接收（采样或读入总线(MISO/ SDI)上的数据）同时进行。

所以捏SPI没有读和写的说法，因为实质上每次SPI是主从设备在交换数据。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

就像IIC一样，SPI也是需要找到谁在通讯的，比较费引脚，必须有一个片选的脚。来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。

要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能CS信号选择从机。片选通常是低电平有效信号。

因此，主机必须在该信号上发送逻辑0以选择从机。SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。

在SPI中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。

在空闲状态期间，CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。

CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。

数据显示在MOSI和MISO线上。传输的开始和结束用绿色虚线表示，采样边沿用橙色虚线表示，移位边沿用蓝色虚线表示。

SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空闲状态 = 低电平，数据在上升沿采样，并在下降沿移出。

一采样，一移位。

由主设备控制并生成时钟。时钟的两个属性分别是时钟极性 (CPOL) 和时钟相位 (CPHA)。这些属性控制从设备相对数据进行计时的有效时钟边沿。CPOL = 0时，将时钟设为在逻辑0位置空闲。CPOL = 1时，时钟在逻辑1位置空闲。CPHA = 0时，数据在上升沿计时，CPHA = 1时，数据在下降沿计时（图3）。