SPI協(xié)議及工作原理分析

1、SPI協(xié)議與工作原理分析一、概述.SPI,SerialPerripheralInterface,串行外圍設(shè)備接口,是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù).SPI總線在物理上是通過接在外圍設(shè)備微控制器(PlCmicro)上面的微處理控制單元(MCU)上叫作同步串行端口(SynchronousSerialPort)的模塊(Module)來實現(xiàn)的，它允許MCU以全雙工的同步串行方式，與各種外圍設(shè)備進行高速數(shù)據(jù)通信.SPI主要應用在EEPROM,Flash,實時時鐘(RTC),數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC),數(shù)字信號處理器(DSP)以與數(shù)字信號解碼器之間.它在芯片中只占用四根管腳(Pin)用來控制以與

2、數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約了芯片的pin數(shù)目，同時為PCB在布局上節(jié)省了空間.正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片上都集成了SPI技術(shù).二、特點1.采用主-從模式(Master-Slave)的控制方式SPI規(guī)定了兩個SPI設(shè)備之間通信必須由主設(shè)備(Master)來控制次設(shè)備(Slave).一個Master設(shè)備可以通過提供Clock以與對Slave設(shè)備進行片選(SlaveSelect)來控制多個Slave設(shè)備，SPI協(xié)議還規(guī)定Slave設(shè)備的Clock由Master設(shè)備通過SCK管腳提供給Slave設(shè)備，Slave設(shè)備本身不能產(chǎn)生或控制Clock,沒有Clock則Slave設(shè)備不能正常工作.2.采

3、用同步方式(Synchronous)傳輸數(shù)據(jù)Master設(shè)備會根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生相應的時鐘脈沖(ClockPulse),時鐘脈沖組成了時鐘信號(ClockSignal),時鐘信號通過時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)控制著兩個SPI設(shè)備間何時數(shù)據(jù)交換以與何時對接收到的數(shù)據(jù)進行采樣，來保證數(shù)據(jù)在兩個設(shè)備之間是同步傳輸?shù)?3.數(shù)據(jù)交換(DataExchanges)SPI設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸之所以又被稱為數(shù)據(jù)交換，是因為SPI協(xié)議規(guī)定一個SPI設(shè)備不能在數(shù)據(jù)通信過程中僅僅只充當一個發(fā)送者(Transmitter)或者接收者(Receiver).在每個Clock周期內(nèi)，SPI設(shè)備都會發(fā)送并接

4、收一個bit大小的數(shù)據(jù)，相當于該設(shè)備有一個bit大小的數(shù)據(jù)被交換了.一個Slave設(shè)備要想能夠接收到Master發(fā)過來的控制信號，必須在此之前能夠被Master設(shè)備進行訪問(Access).所以，Master設(shè)備必須首先通過SS/CSpin對Slave設(shè)備進行片選，把想要訪問的Slave設(shè)備選上.在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，每次接收到的數(shù)據(jù)必須在下一次數(shù)據(jù)傳輸之前被采樣.如果之前接收到的數(shù)據(jù)沒有被讀取，那么這些已經(jīng)接收完成的數(shù)據(jù)將有可能會被丟棄，導致SPI物理模塊最終失效.因此，在程序中一般都會在SPI傳輸完數(shù)據(jù)后，去讀取SPI設(shè)備里的數(shù)據(jù)，即使這些數(shù)據(jù)(DummyData)在我們的程序里是無用的.三

5、、工作機制1.概述SPIDataTransfersnSDCSSPBUFSSPBUFSCKMasterContrcliecSCKSSControllerSlave上圖只是對SPI設(shè)備間通信的一個簡單的描述,下面就來解釋一下圖中所示的幾個組件(Module):SSPBUF,SynchronousSerialPortBuffer,泛指SPI設(shè)備里面的內(nèi)部緩沖區(qū)，一般在物理上是以FIFO的形式，保存?zhèn)鬏斶^程中的臨時數(shù)據(jù);SSPSR,SynchronousSerialPortRegister,泛指SPI設(shè)備里面的移位寄存器(ShiftRegitser),它的作用是根據(jù)設(shè)置好的數(shù)據(jù)位寬(bit-width

6、)把數(shù)據(jù)移入或者移出SSPBUF;Controller,泛指SPI設(shè)備里面的控制寄存器，可以通過配置它們來設(shè)置SPI總線的傳輸模式.通常情況下，我們只需要對上圖所描述白四個管腳(pin)進行編程即可控制整個SPI設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通彳t:SCK,SerialClock,主要的作用是Master設(shè)備往Slave設(shè)備傳輸時鐘信號，控制數(shù)據(jù)交換的時機以與速率；SS/CS,SlaveSelect/ChipSelect,用于Master設(shè)備片選Slave設(shè)備，使被選中的Slave設(shè)備能夠被Master設(shè)備所訪問；SDO/MOSI,SerialDataOutput/MasterOutSlaveIn,在Mast

7、er上面也被稱為Tx-Channel,作為數(shù)據(jù)的出口，主要用于SPI設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)；SDI/MISO,SerialDataInput/MasterInSlaveOut,在Master上面也被稱為Rx-Channel,作為數(shù)據(jù)的入口，主要用于SPI設(shè)備接收數(shù)據(jù)；SPI設(shè)備在進行通信的過程中，Master設(shè)備和Slave設(shè)備之間會產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)鏈路回環(huán)(DataLoop),就像上圖所畫的那樣，通過SDO和SDI管腳，SSPSR控制數(shù)據(jù)移入移出SSPBUF,Controller確定SPI總線的通信模式，SCK傳輸時鐘信號2.SCKSDOSDI01D?010ExampleofSPiMode1,1Timin

8、g.NotethatthedataonlychangesonthefallingedgeofSCKandisonlyreadonraisingedgeofSCK.上圖通過Master設(shè)備與Slave設(shè)備之間交換1Byte數(shù)據(jù)來說明SPI協(xié)議的工作機制.首先，在這里解釋一下兩個概念CPOL:時鐘極性,表不SPI在空I時,時鐘信號是高電平還是低電平.若CPOL被設(shè)為1,那么該設(shè)備在空閑時SCK管腳下的時鐘信號為高電平.當CPOL被設(shè)為0時則正好相反. CPHA:時鐘相位，表示SPI設(shè)備是在SCK管腳上的時鐘信號變?yōu)樯仙貢r觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣，還是在時鐘信號變?yōu)橄陆笛貢r觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣.若CPHA被設(shè)置為1,

9、則SPI 設(shè)備在時鐘信號變?yōu)橄陆笛貢r觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣,在上升沿時發(fā)送數(shù)據(jù).當CPHA被設(shè)為0時也正好相反.上圖里的 Mode 1,1說明了本例所使用的SPI數(shù)據(jù)傳輸模式被設(shè)置成CPOL=1,CPHA=1.這樣，在一個Clock周期內(nèi)，每的方式，同時發(fā)送和接收1 bit個單獨的SPI設(shè)備都能以全雙工(Full-Duplex)被設(shè)置據(jù)，即相當于交換了1bit大小的數(shù)據(jù).如果SPI總線的Channel-Width成Byte,表示SPI總線上每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝粸锽yte,那么掛載在該SPI總線的設(shè)備每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程至少需要8個Clock周期(忽略設(shè)備的物理延遲).因此,SPI總線的頻率越快，Cloc

10、k周期越短，則SPI設(shè)備間數(shù)據(jù)交換的速率就越3.SSPSR.SPI Data TransferSDOSD*SDtSDQ5SPBUFSCKControllerControllerMasterssShifter Register1oGdec by SPI da：a bv data -Terr SSPBUF.SSPSRSlaveSSPSR是SPI設(shè)備內(nèi)部的移位寄存器(Shift Register).它的主要作用是根據(jù)SPI時鐘信號狀態(tài),往SSPBUF里移入或者移出數(shù)據(jù),每次移動的數(shù)據(jù)大小由Bus-Width 以與 Channel-Width所決定. Bus-Width的作用是指定地址總線到Maste

11、r設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝焕?，我們想要往Master 設(shè)備里面的SSPBUF 寫入16 Byte 大小的數(shù)據(jù)：首先，給Master設(shè)備的配置寄存器設(shè)置 Bus-Width為Byte; 然后往Master 設(shè)備的Tx-Data移位寄存器在地址總線的入口寫入數(shù)據(jù)，每次寫入1 Byte 大小的數(shù)據(jù)(使用writeb函數(shù))；寫完1 Byte數(shù)據(jù)之后，Master設(shè)備里面的 Tx-Data移位寄存器會自動把從地址總線傳來的Byte 數(shù)據(jù)移入 SSPBUF 里；上述動作一共需要重復執(zhí)行 16次. Channel-Width的作用是指定Master 設(shè)備與Slave設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸 的單位. 與 Bus-W

12、idth 相 似，Master設(shè)備內(nèi)部的移位寄存器會依據(jù)Channel-Width自動地把數(shù)據(jù)從Master-SSPBUF 里通過Master-SDO 管腳搬運到Slave設(shè)備里的 Slave-SDI引腳,Slave - SSPSR再把每次接收的數(shù)據(jù)移入Slave-SSPBUF 里.通常情況下，Bus-Width總是會大于或等于Channel-Width,這樣能保證不會出現(xiàn)因Master與Slave之間數(shù)據(jù)交換的頻率比地址總線與Master之間的數(shù)據(jù)交換頻率要快，導致SSPBUF里面存放的數(shù)據(jù)為無效4.SSPBUF.都是SPI內(nèi)部移位寄存器從SSPBUF里面拷貝的.我們可以通過往SSPBUF對

13、應的寄存器(Tx-Data/Rx-Dataregister)里讀寫數(shù)據(jù),間接地操控SPI設(shè)備內(nèi)部的SSPBUF.例如，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，我們應該先往Master的Tx-Data寄存器寫入將要發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會被Master-SSPSR移位寄存器根據(jù)Bus-Width自動移入Master-SSPBUF里，然后這些數(shù)據(jù)又會被Master-SSPSR根據(jù)Channel-Width從Master-SSPBUF中移出，通過Master-SDO管腳傳給Slave-SDI管腳，Slave-SSPSR則把從Slave-SDI接收到的數(shù)據(jù)移入Slave-SSPBUF里.與此同時，Slave-SSPBUF里面的數(shù)據(jù)根據(jù)每次接收數(shù)據(jù)的大小(Channel-Width),通過Slave-SDO發(fā)往Master-SDI,Master-SSPSR再把從Master-SDI接收的數(shù)據(jù)移入Master-SSPBUF.在單次數(shù)據(jù)傳輸完成之后，用戶程序可以通過從Master設(shè)備的Rx-Data寄存器讀取Master設(shè)備數(shù)據(jù)交換得到的數(shù)據(jù).5.Controller.Master設(shè)備里面的