淺談SPI詳解及SPI接口flash應(yīng)用案例

SPI Flash

首先它是個(gè)Flash，F(xiàn)lash是什么東西就不多說了（非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)），分為NOR和NAND兩種（NOR和NAND的區(qū)別本篇不做介紹）。SPI一種通信接口。那么嚴(yán)格的來說SPI Flash是一種使用SPI通信的Flash，即，可能指NOR也可能是NAND。但現(xiàn)在大部分情況默認(rèn)下人們說的SPI Flash指的是SPI NorFlash。早期Norflash的接口是parallel的形式，即把數(shù)據(jù)線和地址線并排與IC的管腳連接。但是后來發(fā)現(xiàn)不同容量的Norflash不能硬件上兼容（數(shù)據(jù)線和地址線的數(shù)量不一樣），并且封裝比較大，占用了較大的PCB板位置，所以后來逐漸被SPI（串行接口）Norflash所取代。同時(shí)不同容量的SPI Norflash管腳也兼容封裝也更小。，至于現(xiàn)在很多人說起NOR flash直接都以SPI flash來代稱。

NorFlash根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)可以分為并行（Parallel，即地址線和數(shù)據(jù)線直接和處理器相連）NorFlash和串行（SPI，即通過SPI接口和處理器相連）NorFlash；區(qū)別主要就是：1、SPI NorFlash每次傳輸一bit位的數(shù)據(jù)，parallel連接的NorFlash每次傳輸多個(gè)bit位的數(shù)據(jù)（有x8和x16bit兩種）； 2、SPI NorFlash比parallel便宜，接口簡(jiǎn)單點(diǎn)，但速度慢。

NandFlash是地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式，接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一（x8bit和x16bit），所以不同容量再兼容性上基本沒什么問題。但是目前對(duì)產(chǎn)品的需求越來越小型化以及成本要求也越來越高，所以SPI NandFlash漸漸成為主流，并且采用SPI NANDFlash方案，主控也可以不需要傳統(tǒng)NAND控制器，只需要有SPI接口接口操作訪問，從而降低成本。另外SPI NandFlash封裝比傳統(tǒng)的封裝也小很多，故節(jié)省了PCB板的空間。

怎么用說白了對(duì)于Flash就是讀寫擦，也就是實(shí)現(xiàn)flash的驅(qū)動(dòng)。先簡(jiǎn)單了解下spi flash的物理連接。

之前介紹SPI的時(shí)候說過，SPI接口目前的使用是多種方式（具體指的是物理連線有幾種方式），Dual SPI、Qual SPI和標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口（這種方式肯定不會(huì)出現(xiàn)在連接外設(shè)是SPI Flash上，這玩意沒必要全雙工），對(duì)于SPI Flash來說，主要就是Dual和Qual這兩種方式。具體項(xiàng)目具體看了，理論上在CLK一定的情況下， 線數(shù)越多訪問速度也越快。我們項(xiàng)目采用的Dual SPI方式，即兩線。

一、技術(shù)性能

SPI接口是Motorola 首先提出的全雙工三線同步串行外圍接口，采用主從模式（Master Slave）架構(gòu)；支持多slave模式應(yīng)用，一般僅支持單Master。時(shí)鐘由Master控制，在時(shí)鐘移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根單向數(shù)據(jù)線，為全雙工通信，目前應(yīng)用中的數(shù)據(jù)速率可達(dá)幾Mbps的水平。總線結(jié)構(gòu)如下圖所示。

二、接口定義

SPI接口共有4根信號(hào)線，分別是：設(shè)備選擇線、時(shí)鐘線、串行輸出數(shù)據(jù)線、串行輸入數(shù)據(jù)線。

（1）MOSI：主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入

（2）MISO：主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出

（3）SCLK ：時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生

（4）/SS：從器件使能信號(hào)，由主器件控制

三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

四、 時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位

在SPI操作中，最重要的兩項(xiàng)設(shè)置就是時(shí)鐘極性（CPOL或UCCKPL）和時(shí)鐘相位（CPHA或UCCKPH）。時(shí)鐘極性設(shè)置時(shí)鐘空閑時(shí)的電平，時(shí)鐘相位設(shè)置讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘沿。

主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)是同時(shí)完成的，兩者的接收數(shù)據(jù)也是同時(shí)完成的。所以為了保證主從機(jī)正確通信，應(yīng)使得它們的SPI具有相同的時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。

SPI接口時(shí)鐘配置心得：在主設(shè)備這邊配置SPI接口時(shí)鐘的時(shí)候一定要弄清楚從設(shè)備的時(shí)鐘要求，因?yàn)橹髟O(shè)備這邊的時(shí)鐘極性和相位都是以從設(shè)備為基準(zhǔn)的。因此在時(shí)鐘極性的配置上一定要搞清楚從設(shè)備是在時(shí)鐘的上升沿還是下降沿接收數(shù)據(jù)，是在時(shí)鐘的下降沿還是上升沿輸出數(shù)據(jù)。

五、傳輸時(shí)序

SPI接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。如下圖所示，在SCLK的下降沿上數(shù)據(jù)改變，上升沿一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。

六、數(shù)據(jù)傳輸

在一個(gè)SPI時(shí)鐘周期內(nèi)，會(huì)完成如下操作：

1） 主機(jī)通過MOSI線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，從機(jī)通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)；

2） 從機(jī)通過MISO線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，主機(jī)通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)。

這是通過移位寄存器來實(shí)現(xiàn)的。如下圖所示，主機(jī)和從機(jī)各有一個(gè)移位寄存器，且二者連接成環(huán)。隨著時(shí)鐘脈沖，數(shù)據(jù)按照從高位到低位的方式依次移出主機(jī)寄存器和從機(jī)寄存器，并且依次移入從機(jī)寄存器和主機(jī)寄存器。當(dāng)寄存器中的內(nèi)容全部移出時(shí)，相當(dāng)于完成了兩個(gè)寄存器內(nèi)容的交換。

七、優(yōu)缺點(diǎn)

SPI接口具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 支持全雙工操作；

2） 操作簡(jiǎn)單；

3） 數(shù)據(jù)傳輸速率較高。

同時(shí)，它也具有如下缺點(diǎn)：

1） 需要占用主機(jī)較多的口線（每個(gè)從機(jī)都需要一根片選線）；

2） 只支持單個(gè)主機(jī)。

3） 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)。

二、典型案例：

舉的是一個(gè)已穩(wěn)定使用的spi接口flash設(shè)備的例子，spi控制器是一個(gè)CPU上的外圍SOC，下圖是該spi控制器的寄存器手冊(cè)：

寄存器300-307是用于主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，308-30f為主機(jī)接收數(shù)據(jù)，

寄存器310用于設(shè)置spi時(shí)鐘頻率（用于設(shè)置分頻），

寄存器311用于指定發(fā)送的長度，

寄存器312為控制寄存器，包括中斷使能（實(shí)際使用中未使能）、傳輸寄存器序（MSB/LSB，一般選先傳輸高位寄存器的內(nèi)容）、上升沿還是下降沿更新數(shù)據(jù)（一般選下降沿）、是否自動(dòng)片選（一般不使用自動(dòng)片選，而是由寄存器313指定）等，

寄存器313為片選寄存器，指定片選哪一個(gè)spi從設(shè)備，

寄存器314為閑忙寄存器，用于查詢是否忙，以及控制啟動(dòng)傳輸。

如下的代碼片段，指示了怎么操作spi控制器寄存器：

SPI_ADDR為spi控制器寄存器基址，代碼中由變量p_spi對(duì)應(yīng)，并設(shè)置相關(guān)寄存器的值，包括控制寄存器312、時(shí)鐘頻率寄存器310、發(fā)送長度寄存器311（值為0x10即16，意為16bit即兩字節(jié)，發(fā)送內(nèi)容為0x0500確實(shí)為兩字節(jié)）、發(fā)送內(nèi)容寄存器300、片選寄存器313、最后設(shè)置啟動(dòng)發(fā)送（閑忙寄存器314），全部完成后，等待閑忙寄存器314指示狀態(tài)為閑時(shí)，說明已收到回復(fù)，進(jìn)而讀取接收寄存器308獲取結(jié)果。

事實(shí)上可以發(fā)現(xiàn)，在有spi控制器時(shí)，也就是說無需用gpio模擬spi時(shí)序時(shí)，僅需操作spi控制器寄存器，屏蔽了很多spi物理協(xié)議細(xì)節(jié)。