浅谈SPI详解及SPI接口flash应用案例

　　SPI Flash

 

　　首先它是个Flash，Flash是什么东西就不多说了（非易失性存储介质），分为NOR和NAND两种（NOR和NAND的区别本篇不做介绍）。SPI一种通信接口。那么严格的来说SPI Flash是一种使用SPI通信的Flash，即，可能指NOR也可能是NAND。但现在大部分情况默认下人们说的SPI Flash指的是SPI NorFlash。早期Norflash的接口是parallel的形式，即把数据线和地址线并排与IC的管脚连接。但是后来发现不同容量的Norflash不能硬件上兼容（数据线和地址线的数量不一样），并且封装比较大，占用了较大的PCB板位置，所以后来逐渐被SPI（串行接口）Norflash所取代。同时不同容量的SPI Norflash管脚也兼容封装也更小。，至于现在很多人说起NOR flash直接都以SPI flash来代称。

 

　　NorFlash根据数据传输的位数可以分为并行（Parallel，即地址线和数据线直接和处理器相连）NorFlash和串行（SPI，即通过SPI接口和处理器相连）NorFlash；区别主要就是：1、SPI NorFlash每次传输一bit位的数据，parallel连接的NorFlash每次传输多个bit位的数据（有x8和x16bit两种）； 2、SPI NorFlash比parallel便宜，接口简单点，但速度慢。

 

　　NandFlash是地址数据线复用的方式，接口标准统一（x8bit和x16bit），所以不同容量再兼容性上基本没什么问题。但是目前对产品的需求越来越小型化以及成本要求也越来越高，所以SPI NandFlash渐渐成为主流，并且采用SPI NANDFlash方案，主控也可以不需要传统NAND控制器，只需要有SPI接口接口操作访问，从而降低成本。另外SPI NandFlash封装比传统的封装也小很多，故节省了PCB板的空间。

 

　　怎么用说白了对于Flash就是读写擦，也就是实现flash的驱动。先简单了解下spi flash的物理连接。

 

　　之前介绍SPI的时候说过，SPI接口目前的使用是多种方式（具体指的是物理连线有几种方式），Dual SPI、Qual SPI和标准的SPI接口（这种方式肯定不会出现在连接外设是SPI Flash上，这玩意没必要全双工），对于SPI Flash来说，主要就是Dual和Qual这两种方式。具体项目具体看了，理论上在CLK一定的情况下， 线数越多访问速度也越快。我们项目采用的Dual SPI方式，即两线。

　　一、技术性能

　　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。总线结构如下图所示。

　　二、接口定义

　　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。

　　（1）MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入

　　（2）MISO：主器件数据输入，从器件数据输出

　　（3）SCLK ：时钟信号，由主器件产生

　　（4）/SS：从器件使能信号，由主器件控制

　　三、内部结构

　　四、 时钟极性和时钟相位

　　在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA或UCCKPH）。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。

　　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。

　　SPI接口时钟配置心得：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。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据，是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。

　　五、传输时序

　　SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。如下图所示，在SCLK的下降沿上数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器。

　　六、数据传输

　　在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：

　　1） 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；

　　2） 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。

　　这是通过移位寄存器来实现的。如下图所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

　　七、优缺点

　　SPI接口具有如下优点：

　　1） 支持全双工操作；

　　2） 操作简单；

　　3） 数据传输速率较高。

　　同时，它也具有如下缺点：

　　1） 需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；

　　2） 只支持单个主机。

　　3） 没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

　　二、典型案例：

　　举的是一个已稳定使用的spi接口flash设备的例子，spi控制器是一个CPU上的外围SOC，下图是该spi控制器的寄存器手册：

　　寄存器300-307是用于主机发送数据，308-30f为主机接收数据，

　　寄存器310用于设置spi时钟频率（用于设置分频），

　　寄存器311用于指定发送的长度，

　　寄存器312为控制寄存器，包括中断使能（实际使用中未使能）、传输寄存器序（MSB/LSB，一般选先传输高位寄存器的内容）、上升沿还是下降沿更新数据（一般选下降沿）、是否自动片选（一般不使用自动片选，而是由寄存器313指定）等，

　　寄存器313为片选寄存器，指定片选哪一个spi从设备，

　　寄存器314为闲忙寄存器，用于查询是否忙，以及控制启动传输。

　　如下的代码片段，指示了怎么操作spi控制器寄存器：

　　SPI_ADDR为spi控制器寄存器基址，代码中由变量p_spi对应，并设置相关寄存器的值，包括控制寄存器312、时钟频率寄存器310、发送长度寄存器311（值为0x10即16，意为16bit即两字节，发送内容为0x0500确实为两字节）、发送内容寄存器300、片选寄存器313、最后设置启动发送（闲忙寄存器314），全部完成后，等待闲忙寄存器314指示状态为闲时，说明已收到回复，进而读取接收寄存器308获取结果。

　　事实上可以发现，在有spi控制器时，也就是说无需用gpio模拟spi时序时，仅需操作spi控制器寄存器，屏蔽了很多spi物理协议细节。