SPI基础概念

Posted 2021-09-07 Naisu Xu

文章目录

• 目的
• 物理接线
• 极性和相位
• 信号时序
• 总结

目的

SPI（Serial Perripheral Interface）是一种非常常用的全双工接口，这个接口在非常简单的机制下达到了比较高的通讯速度。比它通讯速度更高的常见的要不是并口，要不是ETH、USB这类复杂的通讯接口。使用SPI需要了解一些基础概念，并能够在此基础上看懂时序逻辑。这篇文章将对相关内容做个说明。

SPI还有升级的类型 DSPI（Dual SPI）和 QSPI（Quad SPI），这两种接口拥有更快的通讯速度，代价分别是失去全双工特性和增加额外通讯线。这篇文章不对此进行介绍。

物理接线

SPI是主从方式通讯的，在使用时主要有下面一些接线方式：

可以看到SPI主要涉及的信号线为四条，分别如下：

• SCLK 时钟信号；
• MOSI 主机数据输出、从机数据接收；
• MISO 主机数据接收、从机数据输出；
• NSS 片选信号，低电平表示选中；
  主机在要通讯时拉低对应从机的NSS引脚来选中该从机；

SPI通讯中主机只能有一个，从机可以有多个。在一主一从的时候从机的NSS引脚可以直接接地，表示该从机一直被选中。

SPI在一主多从的时候还有一种菊花链连接方式，上图中没有画出来。主要特点是所有从机同时选中，从主机开始传输数据到第一个从机，第一个从机的数据输出接到第二个从机的数据输入，依次往后传输。

极性和相位

在解读SPI时序逻辑前需要先了解下SPI极性(CPOL)和相位(CPHA)的概念。CPOL指的是SCLK总线在不进行通讯时的电平，CPHA指在一个时钟周期中采样是发生在第一个边缘还是第二个边缘。根据极性和相位的不同组合SPI有四种工作模式，可以查看下面的图示：

虽然有四种模式，但最重要的就一点，采样是在一个周期中间采样的。 Mode 0 和 Mode 3 都是上升沿采样， Mode 1 和 Mode 2 都是下降沿采样。很多作为SPI从机使用的芯片都支持两种模式，要不支持0和3，要不支持1和2。

信号时序

起止信号 —— NSS

在不传输数据时NSS通常为高电平状态。数据传输通常以NSS信号拉低开始，一般再拉低半个周期后开始输出时钟信号同时传输数据，完成传输后拉高NSS。通常这个也被叫做摩托罗拉(Motorola)的SPI协议。

还有一种不太一样的，NSS平常为低，在数据传输前NSS保持一段时间高电平然后拉低，接着开始传输数据。这个是德州仪器(TI)的协议，也被称为SSI协议。

数据读写 —— SCLK、MOSI、MISO

SPI是一种很有意思的总线，它的收和发是可以同时进行的，比如上一节的图中可以看到MOSI传输数据的同时MISO也在传输数据。

作为主机来说不管是收数据还是发数据通常都没啥问题，而从机就有问题了——什么时候可以读数据？什么时候要发数据？这个问题就要扯上SCLK了。这也就是前面讲的极性和相位的问题。

读写操作
通常SPI数据读写都是以八个或十六个周期为一组进行，相当于读写一个或两个字节。可以多组连续读写，NSS只在最开始和结束的时候变化。

一般通过库函数作为主机进行SPI通讯时不用手动操作SCLK信号，直接对外写数据即可，SPI控制器会自动操作SCLK、MOSI等信号线。所以常见的读写函数都是下面这种样子的：
uint8_t SPI_Write_Read(uint8_t *Data)
uint16_t SPI_Write_Read(uint16_t *Data)
bool SPI_Write_Read(uint8_t *TxData, uint8_t *RxData, size_t Size)
bool SPI_Write_Read(uint16_t *TxData, uint16_t *RxData, size_t Size)

通常这些情况下你如果只是想要读数据，操作的时候也是需要依靠写入数据来发出时钟信号的，通常写入什么都行，只要长度和你需要读取的数据长度对的上就行。

读写时序
一般来说作为SPI主机与SPI从机进行通讯，读写的时候并不是同步的，想要从从机读取某些数据需要先写入读取动作的指令和参数等，而从机会在接到指令和参数后的一定周期后返回数据。比如下面这样：

上面请求和返回数据时间刚好相差八个周期。当然也有可能是下面这样的：

上面请求和返回数据时间相差十六个周期。

其实SPI读写中各种情况组合是非常多的，具体的还需要看你要操作的从机设备的文档中对时序的描述。

总结

对SPI的操作主要就是要了解极性相位以及时序等内容，剩下的使用来说还是很简单的，无非是查一查从机的通讯文档相关的通讯逻辑而已。