硬件设计基础----通信协议SPI

电玩女神 2023-09-26 10:15 56阅读 0赞

## 1 SPI通信协议 ##

#### 1.1 协议介绍 ####

**`SPI(Serial Peripheral Interface)串行外围设备接口`**，是一种高速的，全双工，一主多从，同步通信总线，通信速率一般为10Mbps，主要应用在EEPROM、FLASH、AD等

SPI分为主、从两种模式，SPI通信系统包含`一个主设备(Master)，一个或多个从设备(Slave)`，其中，提供时钟信号的为主设备，接收时钟的设备为从设备，读写操作由主设备发起

#### 1.2 设备连接 ####

**`SPI硬件接口：`**

*  **SCLK：** 串行时钟信号线
 *  **MISO：** 主设备输入/从设备输出信号线
 *  **MOSI：** 主设备输出/从设备输入信号线
 *  **CS：** 从设备片选信号线

SPI一主机一从机硬件连接，如图所示：

![在这里插入图片描述][9a64073944564078be442704957cb615.png_pic_center]

SPI一主机多从机硬件连接，如图所示：

![在这里插入图片描述][79fab4048e9e45229a15330456446c91.png_pic_center]

#### 1.3 通信模式 ####

SPI通信有`四种`不同的模式，通信双方设备必须在同一模式下完成通信，从设备的通信模式固定不变，所以，需要对主设备进行配置，匹配通信模式

`SPI_CR寄存器`的CPOL(时钟极性)和CPHA(时钟相位)控制主设备通信模式，CPOL配置SCLK电平的有效，CPHA配置数据采样发生在第几个边沿：

*  CPOL=0表示SCLK=0时处于空闲状态，即SCLK高电平有效
 *  CPOL=1表示SCLK=1时处于空闲状态，即SCLK低电平有效
 *  CPHA=0表示数据采样在第1个边沿，数据发送在第2个边沿
 *  CPHA=1表示数据采样在第2个边沿，数据发送在第1个边沿

## 2 SPI工作原理 ##

#### 2.1 SPI总线数据帧 ####

MOSI和MISO同时进行，可以看作是`环形拓扑结构`，如图所示：

![在这里插入图片描述][8236f3eff4434f34ac2930cf22b32e0e.png_pic_center]

主设备和从设备都有一个`串行移位寄存器`，主设备移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从设备的移位寄存器，此时从设备的串行移位寄存器的数据也通过MISO传给了主设备，实现了两个移位寄存器的数据交换。主设备和从设备， 发送和接收都是同时进行的。如果主设备只对从设备进行写操作，主设备忽略接收的从设备数据即可。如果主设备要读取从设备数据，主设备需要发送一个空数据来引发从设备发送数据

数据帧格式(8位或16位)由SPI\_CR1寄存器的DFF位选择，并且决定发送/接收的数据长度，SPI\_CR1寄存器如图所示：

![在这里插入图片描述][2d3a476d60594510bd999194972a55d5.png_pic_center]

*  **位11：** `DFF，数据帧格式`，0：使用8位数据帧格式进行发送/接收；1：使用16位数据帧格式进行发送/接收
 *  **位7：** `LSBFIRST，帧格式`，0：先发送MSB，即先发送高字节；1：先发送LSB，即先发送低字节
 *  **位6：** `SPE，SPI使能`，0：禁止SPI设备；1：开启SPI设备
 *  **位1：** `CPOL，时钟极性`，0：空闲状态时，SCK保持低电平；1：空闲状态时，SCK保持高电平
 *  **位0：** `CPHA，时钟相位`，0：数据采样从第一个时钟边沿开始；1：数据采样从第二个时钟边沿开始

#### 2.2 SPI读写时序 ####

四种模式的时序，如图所示：

![在这里插入图片描述][dd2bfe17575f47858d8f29da30e6d91f.png_pic_center]

*  **CPOL=0，CPHA=0：** 空闲态时，SCLK处于低电平；数据采样是在第1个边沿。SCLK由低电平到高电平的跳变，数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿
 *  **CPOL=0，CPHA=1：** 空闲态时，SCLK处于低电平；数据发送是在第1个边沿。SCLK由低电平到高电平的跳变，数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿
 *  **CPOL=1，CPHA=0：** 空闲态时，SCLK处于高电平；数据采集是在第1个边沿。SCLK由高电平到低电平的跳变，数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿
 *  **CPOL=1，CPHA=1：** 空闲态时，SCLK处于高电平；数据发送是在第1个边沿。SCLK由高电平到低电平的跳变，数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿

SPI主设备能够`控制时钟信号`，但是SPI通信不像UART、IIC通信有专门的通信周期、通信起始信号、通信结束信号

以CPOL=0，CPHA=0工作模式为例，通信时序如图所示：

![在这里插入图片描述][e62ae9750bb74cc7a2518d541d15a817.png_pic_center]

`SPI是全双工的`，所以读时序和写时序可以一起完成，图中CS片选信号变为低电平，选中要通信的从机，然后通过MOSI和MISO这两根数据线进行收发数据

## 3 SPI通信特点 ##

**`优点：`**

*  全双工通信
 *  通信简单
 *  8或16位传输帧格式选择
 *  数据传输速率快

**`缺点：`**

*  没有应答机制确认是否收到数据
 *  没有寻址机制，只能靠片选选择不同从设备
 *  传输距离较近
 *  只支持单主机

**`对比UART、IIC、SPI总线：`**

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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