串行外圍設備接口總線的特點以及它的基本配置

幾十年來使用的三種最常見的多線串行數(shù)據(jù)傳輸格式是I2C，UART和SPI。本文著眼于串行外設接口（SPI）總線，該總線已擺脫了顯式的標準化，因此在實現(xiàn)協(xié)議之前，請始終檢查要使用的集成電路的數(shù)據(jù)表。

能力和特點

串行外圍設備接口總線使用四個數(shù)據(jù)線在主設備和從設備之間提供全雙工同步通信。

基本主從配置

串行外設接口允許將數(shù)據(jù)位從主設備移出到從設備中，同時，還可以將位從從設備移出到主設備中。

動畫1顯示了數(shù)據(jù)從Microchip A移入Microchip B，又從Microchip B移入MicrochipA。

動畫2顯示了兩個微芯片之間SPI事務的虛擬4通道示波器軌跡。由馬克·休斯（Mark Hughes）用Mathematica創(chuàng)建

由于SPI尚未標準化，因此可能會遇到先傳輸最高有效位（MSb）或最低有效位（LSb）的情況。檢查設備的數(shù)據(jù)表并相應地設置數(shù)據(jù)處理例程。如果您使用的是Arduino，則可以參考此頁面以獲取有關配置SPI端口的信息。

時鐘極性和相位

時鐘轉(zhuǎn)換控制數(shù)據(jù)的移位和采樣。SPI具有四種模式（0、1、2、3），分別對應四種可能的時鐘配置。

在時鐘周期的上升沿采樣的位在時鐘周期的下降沿移出，反之亦然。

當從選擇線被驅(qū)動至邏輯低電平（從選擇通常為低電平有效信號）時，每個事務開始。從選擇線，數(shù)據(jù)線和時鐘線之間的確切關系取決于如何配置時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）。

在時鐘極性不變的情況下（即，當從器件選擇轉(zhuǎn)換為邏輯低電平時，時鐘處于邏輯低電平）：

模式0：配置時鐘相位，以便在時鐘脈沖的上升沿采樣數(shù)據(jù)，并在時鐘脈沖的下降沿移出數(shù)據(jù)。這對應于上圖中的第一個藍色時鐘軌跡。注意，數(shù)據(jù)必須在時鐘的第一個上升沿之前可用。

模式1：配置時鐘相位，以便在時鐘脈沖的下降沿采樣數(shù)據(jù)，并在時鐘脈沖的上升沿移出數(shù)據(jù)。這對應于上圖中的第二條藍色時鐘軌跡。

在時鐘極性反轉(zhuǎn)的情況下（即，當從器件選擇轉(zhuǎn)換為邏輯低電平時，時鐘處于邏輯高電平）：

模式2：配置時鐘相位，以便在時鐘脈沖的下降沿采樣數(shù)據(jù)，并在時鐘脈沖的上升沿移出數(shù)據(jù)。這對應于上圖中的第一個橙色時鐘軌跡。注意，數(shù)據(jù)必須在時鐘的第一個下降沿之前可用。

模式3：配置時鐘相位，以便在時鐘脈沖的上升沿采樣數(shù)據(jù)，并在時鐘脈沖的下降沿移出數(shù)據(jù)。這對應于上圖中的第二個橙色時鐘軌跡。

關鍵參數(shù)

CLK：串行時鐘。由主設備控制。每個時鐘周期都會移出一個新的數(shù)據(jù)位。

SSN：從機選擇（“ N”將其標識為低電平有效信號）。由主設備控制。激活的從設備選擇線指示主機正在向相應的從設備發(fā)送數(shù)據(jù)或從其請求數(shù)據(jù)。

MOSI：主輸出?從輸入。數(shù)據(jù)離開主設備并進入從設備。芯片A上的MOSI線連接到芯片B上的MOSI線。

MISO：主機輸入?從機輸出。數(shù)據(jù)離開從設備并進入主設備（或以菊花鏈配置的另一個從設備；請參閱下一節(jié)）。芯片A上的MISO線連接到芯片B上的MISO線。

CPOL：時鐘極性。這支配時鐘信號的初始邏輯狀態(tài)。有關更多信息，請參考上一節(jié)。

CPHA：時鐘相位。這支配了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和時鐘轉(zhuǎn)換之間的關系。有關更多信息，請參考上一節(jié)。

從選擇和菊花鏈

多從選擇配置

在標準的SPI安排中，主設備可以通過啟用設備（即，將相應設備的從選擇線設置為邏輯低電平）向共享公共數(shù)據(jù)線的單個設備寫入數(shù)據(jù)或向其請求數(shù)據(jù)。注意不要同時啟用多個從站，因為返回到主站的數(shù)據(jù)將由于MISO線之間的驅(qū)動程序爭用而損壞。某些應用程序不需要將數(shù)據(jù)返回給主服務器；在這種情況下，如果主機希望將相同的數(shù)據(jù)發(fā)送到多個從機，則可以同時尋址多個從機。

在多從站選擇配置中，每個從站都需要來自主站的唯一從站選擇線。如果主站沒有足夠的I / O引腳來滿足所需數(shù)量的從站，則可以通過合并解碼器/多路分解器來實現(xiàn)I / O擴展，例如74HC（T）238（PDF）（3至8行）解碼器/解復用器）。

菊花鏈配置

在此配置中，數(shù)據(jù)從一臺設備移動到另一臺設備。最終的從設備可以將數(shù)據(jù)返回給主設備。

在菊花鏈配置中，所有從機共享一條公共的從機選擇線。數(shù)據(jù)從主機轉(zhuǎn)移到第一個從機，然后從第一個從機轉(zhuǎn)移到第二個，依此類推。數(shù)據(jù)沿線級聯(lián)直至該系列中的最后一個從機，然后可以使用其MISO線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主設備。

這種配置非常適合節(jié)日期間流行的可單獨尋址的LED燈串。

結(jié)論

串行外設接口已經(jīng)存在了數(shù)十年，沒有理由期望它會很快消失。雖然I2C和UART可能會更受歡迎，但SPI是一種通用且直接的串行通信接口，非常適合某些應用。

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