通信協(xié)議之SPI總線硬件篇

一、概述

SPI：Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口。

是由摩托羅拉在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)的同步串行總線接口規(guī)范（帶有時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位來(lái)控制采樣，

即同步傳輸）。

1、支持半雙工、全雙工通信模式。

2、沒(méi)有流控制和應(yīng)答機(jī)制來(lái)確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)（UART有校驗(yàn)或流控制）。

3、沒(méi)有一個(gè)固定的傳輸速率規(guī)定，已有器件SPI輸出速率達(dá)到50Mbps以上（I2C有明確規(guī)定速率）。

4、只能板內(nèi)的短距離傳輸（RS232、RS485輸出距離遠(yuǎn)）。

5、沒(méi)有限制傳輸bit數(shù)量，常用的是8bit或9bit。

6、不需要硬件地址（I2C要地址），采用片選。

7、主從模式，一托多。

二、3線和4線模式

3線SPI和4線SPI各個(gè)模式下信號(hào)定義：

3線9bit I型 接口信號(hào)：SCL、CS、SDA

3線9bit II型接口信號(hào)：SCL、CS、SDO、SDI

4線8bit I型接口信號(hào)：SCL、CS、DCX、SDA

4線8bit II型接口信號(hào)：SCL、CS、DCX、SDO、SDI

3線9bit 2 data Lane 接口信號(hào)：SCL、CS、D0、D1

對(duì)于3線或4線來(lái)區(qū)分，并不是信號(hào)線的數(shù)量，也不是網(wǎng)上說(shuō)的半雙工和全雙工，或者數(shù)據(jù)線數(shù)量差異。

個(gè)人認(rèn)為：

3線說(shuō)的是時(shí)鐘、片選、數(shù)據(jù)信號(hào)（不管是一根數(shù)據(jù)線，還是兩根數(shù)據(jù)線），共三種信號(hào)。

4線說(shuō)的是時(shí)鐘、片選、數(shù)據(jù)信號(hào)、數(shù)據(jù)或命令控制線（確定發(fā)送的是數(shù)據(jù)還是命令），共4中信號(hào)。

三、SPI 四種工作模式

通過(guò)CPOL時(shí)鐘極性和CPHA時(shí)鐘相位的搭配來(lái)得到四種工作模式：

CPOL時(shí)鐘極性定義的是 SCLK時(shí)鐘線空閑狀態(tài)時(shí)的電平

CPOL=0，即SCLK=0，表示SCLK時(shí)鐘信號(hào)線在空閑狀態(tài)時(shí)的電平為低電平，因此有效狀態(tài)為高電平。

CPOL=1，即SCLK=1，表示SCLK時(shí)鐘信號(hào)線在空閑狀態(tài)時(shí)的電平為高電平，因此有效狀態(tài)為低電平。

CPHA時(shí)鐘相位定義的是數(shù)據(jù)位相對(duì)于時(shí)鐘線的時(shí)序（即相位）

CPHA=0，即表示輸出（out）端在上一個(gè)時(shí)鐘周期的后沿改變數(shù)據(jù)，而輸入（in）端在時(shí)鐘周期的前沿（或不久之后）捕

獲數(shù)據(jù)。輸出端保持?jǐn)?shù)據(jù)有效直到當(dāng)前時(shí)鐘周期的尾部邊緣。對(duì)于第一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)說(shuō)，第一位的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘前沿之

前出現(xiàn)在MOSI線上。也就是一個(gè)CPHA=0的周期包括半個(gè)時(shí)鐘空閑和半個(gè)時(shí)鐘置位的周期。

CPHA=1，即表示輸出（out）端在當(dāng)前時(shí)鐘周期的前沿改變數(shù)據(jù)，而輸入（in）端在時(shí)鐘周期的后沿（或不久之后）捕獲

數(shù)據(jù)。輸出端保持?jǐn)?shù)據(jù)有效直到下一個(gè)時(shí)鐘周期的前沿。對(duì)于最后一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)說(shuō)，從機(jī)設(shè)備在片選信號(hào)消失之前保持

MISO信號(hào)線有效。也就是一個(gè)CHPA=1的周期包括半個(gè)時(shí)鐘置位和半個(gè)時(shí)鐘空閑的周期。

四、SPI升級(jí)版

SPI flash接口有standard SPI、Dual SPI、Quad SPI、Octal SPI，也就是所謂的1248線模式。

五、SDR和DDR模式

SPI通信支持SDR和DDR模式。

SDR：Single Data Rate通過(guò) SCLK 的觸發(fā)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，一個(gè)時(shí)鐘周期只執(zhí)行一次，稱為單倍數(shù)據(jù)速率模式。

DDR：Double Data Rate通過(guò) SCLK 的觸發(fā)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，每個(gè)上升沿和下降沿將采樣一次。

也就是說(shuō)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送2位或者接收2位數(shù)據(jù)，稱為雙倍數(shù)據(jù)速率模式

六、SPI Flash接口

Dual SPI有兩根數(shù)據(jù)IO；Quad SPI有4根數(shù)據(jù)IO。

SPI flash spec：

七、SPI TFT液晶屏接口

TFT液晶屏ST7789 spec定義，支持串行和并行，支持SPI多種通信模式。

八、信號(hào)定義及連線

標(biāo)準(zhǔn)SPI接口信號(hào)定義：

標(biāo)準(zhǔn)的SPI規(guī)范連線：

SDOSDI網(wǎng)絡(luò)命名的連線（SDO和SDI交叉）：

SPI總線，一對(duì)多連線：

九、小結(jié)

1、有的參考設(shè)計(jì)原理圖中，用SDI表示MOSI，用SDO表示MISO，連線要注意輸出和輸入的定義。

2、芯片引腳的信號(hào)輸入或輸出，是針對(duì)自身來(lái)標(biāo)明的，因此在主從設(shè)備芯片的輸出或輸入要連接正確。

3、電路設(shè)計(jì)上引腳信號(hào)不需要上拉。如果是IO模擬的話，需注意是不是開(kāi)漏，如是要加上拉。另，要確認(rèn)器件spec的SPI

信息，可能有特殊的要加上下拉。

4、一對(duì)多的連線，片選信號(hào)CS單獨(dú)控制，多個(gè)從設(shè)備需要多個(gè)CS信號(hào)。

5、從設(shè)備未被選中時(shí)，信號(hào)線變成高阻態(tài)（斷開(kāi)）。

6、Layout上沒(méi)有特殊要求，當(dāng)然可以SCLK信號(hào)包下地。

審核編輯 黃宇