SPI接口说明及原理

硬件工程师炼成之路 2022-08-13 08:35




1简介

SPI:Serial Peripheral Interface,是串行外设接口。


SPI是由摩托罗拉于 1985 年前后开发,是一种适用于短距离、设备到设备通信的同步串行接口。


从那时起,这种接口就已成为许多半导体制造商,特别是微控制器(MCU)和微处理器(MPU)采用的事实标准。


2SPI接口

SPI总线是一种4线总线,通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以。


MOSI:Master Output Slave Input,主设备数据输出,从设备数据输入;

MISO:Master Input Slave Output,主设备数据输入,从设备数据输出;

SCLK:Serial Clock,时钟信号,由主设备产生;

SS:Slave Select,从设备选择信号,由主设备控制;


上面的SS信号,也可以理解为CS信号,一般是低电平有效,所以也是NSS(非)信号;


CS:Chip Select,片选信号(从设备使能/选择信号),由主设备控制;


一主一从

最基本的SPI通信就是一主一从,比如:一个STM32作为主机,一个W25Q16(SPI Flash)作为从机。还有两个MCU之间进行SPI通信等。 


上图例子是主机发送一个字节数据(0x53),从机应答一个字节数据(0x46)。


一主多从

SPI可以一主一从(一个主机,一个从机),但也可以一主多从。一主多从常见有两种连接方式。


A.常规

通常,每个从机都需要一条单独的SS线,要与指定的从机通信,将该从机的SS线设为低电平,并将其余的保持为高电平即可。


B.一条SS信号

某些应用只需要一条NSS即可(比如:移位寄存器),对于这种布局,数据从一个从设备移位到另一个从设备。


3SPI数据传输

SPI的通信比较简单,一个时钟传输一位数据(主机 -> 从机,或者从机 -> 主机)。


SPI时钟

理论上SPI的时钟频率可以做到很大,一般几MHz~几百MHz,拿常见的W25Q16来说,SPI最高支持80MHz。


SPI通信速率要结合实际情况,不能超过主机或从机支持的最大时钟频率。


SPI数据

SPI的数据分两个方向:

MOSI:主机 -> 从机

MISO:从机 -> 主机


SPI通信有一个“缺点”:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。


可以理解为:不知道是什么时候主机发给从机,什么时候从机发给主机,到底该发多少字节数据等。


此时,需要通信的主机和从机达成约定,一般由主机进行控制读写的操作。


比如下面这个读写SPI Flash数据的操作:


前面1字节是指令,紧接着再3字节(24位)地址,都是由主机发送给从机。之后,主机读取数据(由从机发送出来)。


时钟极性和相位

除了设置时钟频率外,主机还必须配置与数据有关的时钟极性和相位。


CPOL确定时钟的极性,极性可以通过简单的逆变器进行转换。


CPHA确定相对于时钟脉冲的数据位的时序(即相位)。


一般集成有SPI外设的处理器,都有SPI相关的配置寄存器,拿STM32来说,参考手册里面有详细介绍SPI配置的信息。


建议大家结合时序图理解,不要死记硬背。



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