嵌入式驱动开发详解14（SPI驱动架构实现）-SPI简介

时间：2024-12-14 07:03:52

SPI介绍

SPI 全称是 Serial Perripheral Interface，也就是串行外围设备接口。SPI 是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口 技术，是一种高速、全双工的同步通信总线，SPI 时钟频率相比 I2C 要高很多，最高可以工作 在上百 MHz。

SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般 SPI 需要 4 根线，但是也可以使用三根线(单向传输)，这四根线如下：
①、CS/SS，Slave Select/Chip Select，这个是片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。 I2C 主机是通过发送从机设备地址来选择需要进行通信的从机设备的，SPI 主机不需要发送从机 设备，直接将相应的从机设备片选信号拉低即可。
②、SCK，Serial Clock，串行时钟，和 I2C 的 SCL 一样，为 SPI 通信提供时钟。
③、MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，简称主出从入信号线，这根数据线 只能用于主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入。
④、MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，简称主入从出信号线，这根数据线只 能用户从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出。
  SPI 通信都是由主机发起的，主机需要提供通信的时钟信号，如下图所示：
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SPI 的传输方式：
全双工通信：在任何时刻，主机与从机之间都可以同时进行数据的发送和接收。
单工通信：在同一时刻，只有一个传输的方向，发送或者是接收。
半双工通信：在同一时刻，只能为一个方向传输数据。
单工和双工的区别在于是否能同时发送或者接收，全或者半的区别在于是双向的还是单向的。

SPI工作模式

SPI 有四种工作模式

  • CPOL，详称Clock Polarity，就是时钟极性，当主从机没有数据传输的时候 SCL 线的电平状态(即空闲状态)。假如空闲状态是高电平， CPOL = 1；若空闲状态时低电平，那么 CPOL = 0。
  • CPHA，详称Clock Phase，就是时钟相位。在这里先科普一下数据传输的常识： 同步通信时，数据的变化和采样都是在时钟边沿上进行的，每一个时钟周期都会有上升沿和下降沿两个边沿，那么数据的变化和采样就分别安排在两个不同的边沿，由于数据在产生和到它稳定是需要一定的时间，那么假如我们在第 1 个边沿信号把数据输出了，从机只能从第 2 个边沿信号去采样这个数据。

通过串行时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式：
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  • CPOL = 0&&CPHA = 0时序：由于配置了 CPOL = 0，可以看到当数据未发送或者发送完毕，SCL 的状态是低电平，再者 CPHA = 0 即是奇数边沿采集。所以传输的数据会在奇数边沿上升沿被采集，MOSI 和 MISO 数据的有效信号需要在 SCK 奇数边沿保持稳定且被采样，在非采样时刻， MOSI和 MISO 的有效信号才发生变化。
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  • CPOL = 0&CPHA = 1 时序：由于 CPOL = 0，所以 SCL 的空闲状态依然是低电平，CPHA = 1 数据就从偶数边沿采样，至于是上升沿还是下降沿，从上图就可以知道，是下降沿。这里有一个误区，空闲状态是低电平的情况下，不是应该上升沿吗，为什么这里是下降沿？首先我们先明确这里是偶数边沿采样，那么看图就很清晰，SCL 低电平空闲状态下，上升沿是在奇数边沿上，下降沿是在偶数边沿上。
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  • CPOL = 1&CPHA = 0 时序：只是这里是 CPOL = 1，即 SCL 空闲状态为高电平，在 CPHA = 0，奇数边沿采样的情况下，数据在奇数边沿下降沿要保持稳定并等待采样。
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  • CPOL = 1&&CPHA = 1：可以看到未发送数据和发送数据完毕，SCL的状态是高电平，奇数边沿的边沿极性是上升沿，偶数边沿的边沿极性是下降沿。因为 CPHA= 1,所以数据在偶数边沿上升沿被采样。在奇数边沿的时候 MOSI 和 MISO 会发生变化，在偶数边沿时候是稳定的。
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SPI特点

  • SPI的优点：
    1. 全双工串行通信；
    2. 高速数据传输速率。
    3. 简单的软件配置；
    4. 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
    5. 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。
  • SPI的缺点：
    1. 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
    2. 通常仅支持一个主设备；
    3. 需要更多的引脚（与I2C不同）；
    4. 没有定义硬件级别的错误检查协议；
    5. 与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

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