通信教程的04_SPI接口說明及原理

本教程由作者strongerHuang于2019年09月原創(chuàng)發(fā)布。

標(biāo)簽：串口、 SPI、 通信

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1寫在前面

SPI：Serial Peripheral Interface，是串行外設(shè)接口。

SPI是由摩托羅拉于 1985 年前后開發(fā)，是一種適用于短距離、設(shè)備到設(shè)備通信的同步串行接口。

從那時起，這種接口就已成為許多半導(dǎo)體制造商，特別是微控制器（MCU）和微處理器（MPU）采用的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

2SPI接口

SPI總線是一種4線總線，通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以。

MOSI：Master Output Slave Input，主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；

MISO：Master Input Slave Output，主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；

SCLK：Serial Clock，時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；

SS：Slave Select，從設(shè)備選擇信號，由主設(shè)備控制；

上面的SS信號，也可以理解為CS信號，一般是低電平有效，所以也是NSS（非）信號；

CS：Chip Select，片選信號（從設(shè)備使能/選擇信號），由主設(shè)備控制；

2.1 一主一從

最基本的SPI通信就是一主一從，比如：一個STM32作為主機(jī)，一個W25Q16（SPI Flash）作為從機(jī)。還有兩個MCU之間進(jìn)行SPI通信等。

上圖例子是主機(jī)發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)（0x53），從機(jī)應(yīng)答一個字節(jié)數(shù)據(jù)（0x46）。

2.2 一主多從

SPI可以一主一從（一個主機(jī)，一個從機(jī)），但也可以一主多從。一主多從常見有兩種連接方式。

A.常規(guī)

通常，每個從機(jī)都需要一條單獨(dú)的SS線，要與指定的從機(jī)通信，將該從機(jī)的SS線設(shè)為低電平，并將其余的保持為高電平即可。

B.一條SS信號

某些應(yīng)用只需要一條NSS即可（比如：移位寄存器），對于這種布局，數(shù)據(jù)從一個從設(shè)備移位到另一個從設(shè)備。

3SPI數(shù)據(jù)傳輸

SPI的通信比較簡單，一個時鐘傳輸一位數(shù)據(jù)（主機(jī) -> 從機(jī)，或者從機(jī) -> 主機(jī)）。

3.1 SPI時鐘

理論上SPI的時鐘頻率可以做到很大，一般幾MHz~幾百M(fèi)Hz，拿常見的W25Q16來說，SPI最高支持80MHz。

SPI通信速率要結(jié)合實(shí)際情況，不能超過主機(jī)或從機(jī)支持的最大時鐘頻率。

3.2 SPI數(shù)據(jù)

SPI的數(shù)據(jù)分兩個方向：

MOSI：主機(jī) -> 從機(jī)

MISO：從機(jī) -> 主機(jī)

SPI通信有一個“缺點(diǎn)”：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。

可以理解為：不知道是什么時候主機(jī)發(fā)給從機(jī)，什么時候從機(jī)發(fā)給主機(jī)，到底該發(fā)多少字節(jié)數(shù)據(jù)等。

此時，需要通信的主機(jī)和從機(jī)達(dá)成約定，一般由主機(jī)進(jìn)行控制讀寫的操作。

比如下面這個讀寫SPI Flash數(shù)據(jù)的操作：

前面1字節(jié)是指令，緊接著再3字節(jié)（24位）地址，都是由主機(jī)發(fā)送給從機(jī)。之后，主機(jī)讀取數(shù)據(jù)（由從機(jī)發(fā)送出來）。

3.3 時鐘極性和相位

除了設(shè)置時鐘頻率外，主機(jī)還必須配置與數(shù)據(jù)有關(guān)的時鐘極性和相位。

CPOL確定時鐘的極性，極性可以通過簡單的逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

CPHA確定相對于時鐘脈沖的數(shù)據(jù)位的時序（即相位）。

一般集成有SPI外設(shè)的處理器，都有SPI相關(guān)的配置寄存器，拿STM32來說，參考手冊里面有詳細(xì)介紹SPI配置的信息。

建議大家結(jié)合時序圖理解，不能死記硬背。

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