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ADI官方文檔：SPI接口簡介

時(shí)間：2021-09-30 13:45:52
關(guān)鍵字： ADI    SPI接口   
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原文鏈接：

https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/introduction-to-spi-interface.html

之前詳細(xì)介紹過SPI協(xié)議，今天分享一篇ADI官方文檔AN-1284：SPI接口介紹

串行外設(shè)接口(SPI)是微控制器和外圍IC（如傳感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之間使用較廣泛的接口之一。本文先簡要說明SPI接口，然后介紹ADI公司支持SPI的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器，以及它們?nèi)绾螏椭鷾p少系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)中的數(shù)字GPIO數(shù)量。

SPI是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機(jī)或從機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿同步。主機(jī)和從機(jī)可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。SPI接口可以是3線式或4線式。本文重點(diǎn)介紹常用的4線SPI接口。

接口

圖1. 含主機(jī)和從機(jī)的SPI配置
4線SPI器件有四個(gè)信號(hào)：

  • 時(shí)鐘(SPI CLK, SCLK)

  • 片選(CS)

  • 主機(jī)輸出、從機(jī)輸入(MOSI)

  • 主機(jī)輸入、從機(jī)輸出(MISO)

產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件稱為主機(jī)。主機(jī)和從機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的時(shí)鐘頻率。用戶應(yīng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)以了解SPI接口的時(shí)鐘頻率規(guī)格。

SPI接口只能有一個(gè)主機(jī)，但可以有一個(gè)或多個(gè)從機(jī)。圖1顯示了主機(jī)和從機(jī)之間的SPI連接。

來自主機(jī)的片選信號(hào)用于選擇從機(jī)。這通常是一個(gè)低電平有效信號(hào)，拉高時(shí)從機(jī)與SPI總線斷開連接。當(dāng)使用多個(gè)從機(jī)時(shí)，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào)。本文中的片選信號(hào)始終是低電平有效信號(hào)。

MOSI和MISO是數(shù)據(jù)線。MOSI將數(shù)據(jù)從主機(jī)發(fā)送到從機(jī)，MISO將數(shù)據(jù)從從機(jī)發(fā)送到主機(jī)。

數(shù)據(jù)傳輸

要開始SPI通信，主機(jī)必須發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，并通過使能CS信號(hào)選擇從機(jī)。片選通常是低電平有效信號(hào)。因此，主機(jī)必須在該信號(hào)上發(fā)送邏輯0以選擇從機(jī)。SPI是全雙工接口，主機(jī)和從機(jī)可以分別通過MOSI和MISO線路同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。在SPI通信期間，數(shù)據(jù)的發(fā)送（串行移出到MOSI/SDO總線上）和接收（采樣或讀入總線(MISO/SDI)上的數(shù)據(jù)）同時(shí)進(jìn)行。串行時(shí)鐘沿同步數(shù)據(jù)的移位和采樣。SPI接口允許用戶靈活選擇時(shí)鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。欲確定使用SPI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。

時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位

在SPI中，主機(jī)可以選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。在空閑狀態(tài)期間，CPOL位設(shè)置時(shí)鐘信號(hào)的極性?？臻e狀態(tài)是指傳輸開始時(shí)CS為高電平且在向低電平轉(zhuǎn)變的期間，以及傳輸結(jié)束時(shí)CS為低電平且在向高電平轉(zhuǎn)變的期間。CPHA位選擇時(shí)鐘相位。根據(jù)CPHA位的狀態(tài)，使用時(shí)鐘上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。主機(jī)必須根據(jù)從機(jī)的要求選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。根據(jù)CPOL和CPHA位的選擇，有四種SPI模式可用。表1顯示了這4種SPI模式。

SPI 模式CPOLCPHA空閑狀態(tài)下的時(shí)鐘極性用于采樣和/或移位數(shù)據(jù)的時(shí)鐘相應(yīng)
000邏輯低電平數(shù)據(jù)在上升沿采樣，在下降沿移出
101邏輯低電平數(shù)據(jù)在下降沿采樣，在上升沿移出
211邏輯低電平數(shù)據(jù)在下降沿采樣，在上升沿移出
310邏輯低電平數(shù)據(jù)在上升沿采樣，在下降沿移出
圖2至圖5顯示了四種SPI模式下的通信示例。在這些示例中，數(shù)據(jù)顯示在MOSI和MISO線上。傳輸?shù)拈_始和結(jié)束用綠色虛線表示，采樣邊沿用橙色虛線表示，移位邊沿用藍(lán)色虛線表示。請(qǐng)注意，這些圖形僅供參考。要成功進(jìn)行SPI通信，用戶須參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)并確保滿足器件的時(shí)序規(guī)格。

圖2. SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出
圖2. SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出。圖3給出了SPI模式1的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為0，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為低電平。此模式下的時(shí)鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

圖3. SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出
圖3. SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出。圖4給出了SPI模式2的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時(shí)鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

圖4. SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出
圖4. SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出。圖5給出了SPI模式3的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時(shí)鐘相位為0，表示數(shù)據(jù)在上升沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

圖5. SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出
圖5. SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出。

多從機(jī)配置

多個(gè)從機(jī)可與單個(gè)SPI主機(jī)一起使用。從機(jī)可以采用常規(guī)模式連接，或采用菊花鏈模式連接。

常規(guī)SPI模式：

圖6. 多從機(jī)SPI配置
圖6. 多從機(jī)SPI配置。在常規(guī)模式下，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào)。一旦主機(jī)使能（拉低）片選信號(hào)，MOSI/MISO線上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)便可用于所選的從機(jī)。如果使能多個(gè)片選信號(hào)，則MISO線上的數(shù)據(jù)會(huì)被破壞，因?yàn)橹鳈C(jī)無法識(shí)別哪個(gè)從機(jī)正在傳輸數(shù)據(jù)。

從圖6可以看出，隨著從機(jī)數(shù)量的增加，來自主機(jī)的片選線的數(shù)量也增加。這會(huì)快速增加主機(jī)需要提供的輸入和輸出數(shù)量，并限制可以使用的從機(jī)數(shù)量。可以使用其他技術(shù)來增加常規(guī)模式下的從機(jī)數(shù)量，例如使用多路復(fù)用器產(chǎn)生片選信號(hào)。

菊花鏈模式：

圖7. 多從機(jī)SPI菊花鏈配置
圖7. 多從機(jī)SPI菊花鏈配置。

在菊花鏈模式下，所有從機(jī)的片選信號(hào)連接在一起，數(shù)據(jù)從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)。在此配置中，所有從機(jī)同時(shí)接收同一SPI時(shí)鐘。來自主機(jī)的數(shù)據(jù)直接送到第一個(gè)從機(jī)，該從機(jī)將數(shù)據(jù)提供給下一個(gè)從機(jī)，依此類推。

使用該方法時(shí)，由于數(shù)據(jù)是從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)，所以傳輸數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘周期數(shù)與菊花鏈中的從機(jī)位置成比例。例如在圖7所示的8位系統(tǒng)中，為使第3個(gè)從機(jī)能夠獲得數(shù)據(jù)，需要24個(gè)時(shí)鐘脈沖，而常規(guī)SPI模式下只需8個(gè)時(shí)鐘脈沖。圖8顯示了時(shí)鐘周期和通過菊花鏈的數(shù)據(jù)傳播。并非所有SPI器件都支持菊花鏈模式。請(qǐng)參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)以確認(rèn)菊花鏈?zhǔn)欠窨捎谩?/p>最先傳輸?shù)?xA5將會(huì)被配置到最遠(yuǎn)端的SPI器件，而最后傳輸?shù)?x0A將會(huì)被配置到最近的SPI器件，所有的配置數(shù)據(jù)將會(huì)在CS的下降沿進(jìn)行更新。

圖8. 菊花鏈配置：數(shù)據(jù)傳播
圖8. 菊花鏈配置：數(shù)據(jù)傳播。

文檔下載

中文版：

https://www.analog.com/media/cn/analog-dialogue/volume-52/number-3/introduction-to-spi-interface_cn.pdf

英文版：

https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-1248.pdf

本文作者

Piyu Dhaker

Piyu Dhaker
Piyu Dhaker是ADI公司北美核心應(yīng)用部門的應(yīng)用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應(yīng)用部門。此前，她也在ADI公司的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)部門和電源管理 部門工作過。

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