硬件设计基础----通信协议SPI

Posted 2022-10-10 鲁棒最小二乘支持向量机

1 SPI通信协议

1.1 协议介绍

SPI(Serial Peripheral Interface)串行外围设备接口，是一种高速的，全双工，一主多从，同步通信总线，通信速率一般为10Mbps，主要应用在EEPROM、FLASH、AD等

SPI分为主、从两种模式，SPI通信系统包含一个主设备(Master)，一个或多个从设备(Slave)，其中，提供时钟信号的为主设备，接收时钟的设备为从设备，读写操作由主设备发起

1.2 设备连接

SPI硬件接口：

• SCLK： 串行时钟信号线
• MISO： 主设备输入/从设备输出信号线
• MOSI： 主设备输出/从设备输入信号线
• CS： 从设备片选信号线

SPI一主机一从机硬件连接，如图所示：

SPI一主机多从机硬件连接，如图所示：

1.3 通信模式

SPI通信有四种不同的模式，通信双方设备必须在同一模式下完成通信，从设备的通信模式固定不变，所以，需要对主设备进行配置，匹配通信模式

SPI_CR寄存器的CPOL(时钟极性)和CPHA(时钟相位)控制主设备通信模式，CPOL配置SCLK电平的有效，CPHA配置数据采样发生在第几个边沿：

模式	CPOL	CPHA
Mode0	0	0
Mode1	0	1
Mode2	1	0
Mode3	1	1

• CPOL=0表示SCLK=0时处于空闲状态，即SCLK高电平有效
• CPOL=1表示SCLK=1时处于空闲状态，即SCLK低电平有效
• CPHA=0表示数据采样在第1个边沿，数据发送在第2个边沿
• CPHA=1表示数据采样在第2个边沿，数据发送在第1个边沿

2 SPI工作原理

2.1 SPI总线数据帧

MOSI和MISO同时进行，可以看作是环形拓扑结构，如图所示：

主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从设备的移位寄存器，此时从设备的串行移位寄存器的数据也通过MISO传给了主设备，实现了两个移位寄存器的数据交换。主设备和从设备， 发送和接收都是同时进行的。如果主设备只对从设备进行写操作，主设备忽略接收的从设备数据即可。如果主设备要读取从设备数据，主设备需要发送一个空数据来引发从设备发送数据

数据帧格式(8位或16位)由SPI_CR1寄存器的DFF位选择，并且决定发送/接收的数据长度，SPI_CR1寄存器如图所示：

• 位11： DFF，数据帧格式，0：使用8位数据帧格式进行发送/接收；1：使用16位数据帧格式进行发送/接收
• 位7： LSBFIRST，帧格式，0：先发送MSB，即先发送高字节；1：先发送LSB，即先发送低字节
• 位6： SPE，SPI使能，0：禁止SPI设备；1：开启SPI设备
• 位1： CPOL，时钟极性，0：空闲状态时，SCK保持低电平；1：空闲状态时，SCK保持高电平
• 位0： CPHA，时钟相位，0：数据采样从第一个时钟边沿开始；1：数据采样从第二个时钟边沿开始

2.2 SPI读写时序

四种模式的时序，如图所示：

• CPOL=0，CPHA=0： 空闲态时，SCLK处于低电平；数据采样是在第1个边沿。SCLK由低电平到高电平的跳变，数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿
• CPOL=0，CPHA=1： 空闲态时，SCLK处于低电平；数据发送是在第1个边沿。SCLK由低电平到高电平的跳变，数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿
• CPOL=1，CPHA=0： 空闲态时，SCLK处于高电平；数据采集是在第1个边沿。SCLK由高电平到低电平的跳变，数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿
• CPOL=1，CPHA=1： 空闲态时，SCLK处于高电平；数据发送是在第1个边沿。SCLK由高电平到低电平的跳变，数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿

SPI主设备能够控制时钟信号，但是SPI通信不像UART、IIC通信有专门的通信周期、通信起始信号、通信结束信号

以CPOL=0，CPHA=0工作模式为例，通信时序如图所示：

SPI是全双工的，所以读时序和写时序可以一起完成，图中CS片选信号变为低电平，选中要通信的从机，然后通过MOSI和MISO这两根数据线进行收发数据

3 SPI通信特点

优点：

• 全双工通信
• 通信简单
• 8或16位传输帧格式选择
• 数据传输速率快

缺点：

• 没有应答机制确认是否收到数据
• 没有寻址机制，只能靠片选选择不同从设备
• 传输距离较近
• 只支持单主机

对比UART、IIC、SPI总线：

总线接口	串/并	同步/异步	速率	工作方式	通信线	总线拓扑	通信距离
UART	串行	异步	慢	全双工	RX、TX	RS485总线型、星型、树型	远
IIC	串行	同步	较慢	半双工	SDA、SCL	总线型	近
SPI	串行	同步	快	全双工	SCLK、SIMO、SOMI、CS	环形	较近

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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