一文看懂SPI协议
文章目錄
- SPI協議簡介
- 4線還是3線？
- 4種工作模式
- 多種傳輸速率
- SPI協議的基本時序
- SPI協議的升級版
- FPGA實現SPI協議
- SPI和IIC的對比
- 總結
SPI協議簡介
板卡內不同芯片間通訊最常用的三種串行協議：UART、I2C、SPI，之前寫過串口協議及其FPGA實現，今天我們來介紹SPI協議，SPI是Serial Perripheral Interface的簡稱，是由Motorola公司推出的一種高速、全雙工的總線協議。
與IIC類似，SPI也是采用主從方式工作，主機通常為FPGA、MCU或DSP等可編程控制器，從機通常為EPROM、Flash，AD/DA，音視頻處理芯片等設備。一般由SCLK、CS、MOSI，MISO四根線組成，有的地方可能是：SCK、SS、SDI、SDO等名稱，都是一樣的含義，當有多個從機存在時，通過CS來選擇要控制的從機設備。和標準SPI類似的協議，還有TI的SSP協議，區別主要在片選信號的時序上。
4線還是3線？
當我們談到SPI時，默認情況下都是指標準的4線制Motorola SPI協議，即SCLK，MOSI，MISO和CS共4根數據線，標準4線制的好處是可以實現數據的全雙工傳輸。當只有一個主機和一個從機設備時，只需要一個CS，多個從機需要多個CS，各數據線的介紹：
- SCLK，時鐘信號，時鐘頻率即SPI速率，和SPI模式有關
- MOSI，主機輸出，從機輸入，主機數據
- MISO，主機輸入，從機輸出
- CS，從機設備選擇，低電平有效。
3線制SPI，根據不同的應用場景，主要有以下2種類型：
- 只有3根線：SCLK，MOSI和CS，沒有MISO數據線，適用于單工通訊，主機只發送或只接收從機的數據。
- 只有3根線：SCLK，SDIO和CS，這里的SDIO作為雙向端口，適用于半雙工通訊，比如ADI的多款ADC芯片都支持雙向傳輸。在使用FPGA操作雙向端口時，作為輸入時要設置為高阻態z。
還有標準SPI協議的升級版，Dual SPI、Quad SPI和QPI等，這些協議不在本小節3線/4線制討論的范圍內，文章后面會提到。
4種工作模式
既然是進行數據傳輸，雙方就要明確從機在什么時刻去采樣主機發出的數據，主機在什么時刻去讀取從機發來的數據。對于STM32等MCU自帶的硬件SPI外設來說，可能沒有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是對于使用使用GPIO模擬或者FPGA來實現SPI的時序，這一點是非常非常重要的，這就涉及到SPI標準協議的工作模式了，通過CPOL（Clock Polarity）時鐘極性和CPHA（Clock Phase）時鐘相位的不同組合，可以分為4種模式。
一般從機器件的工作模式是固定的，主機需要采用一樣的工作模式，雙方才能正常“交流”。
CPOL=0表示，SCK在空閑狀態時為0 CPOL=1表示，SCK在空閑狀態時為1 CPHA=0表示，在SCK第一個邊沿時輸入輸出數據有效 CPHA=1表示，在SCK第二個邊沿時輸入輸出數據有效這四種模式中，應用最廣泛的是模式0和3，大多數SPI器件都同時支持這兩種工作模式，其實這些都不重要，具體采用什么模式，看你的器件手冊就知道了。
以我最近工作中使用到的一款Cypress的鐵電存儲器FM25V05為例，在其官方DataSheet上介紹同時支持SPI Mode 0和Mode 3，
根據后面的時序圖，可以得知SPI mode 0的讀寫時序，圖中可以看出SCK空閑狀態為低電平，主機數據在每個上升沿被從機采樣，數據輸出同理。
對于SPI mode3，SCK空閑狀態為高電平，主機數據在每個上升沿被從機采樣，數據輸出同理。
模式1和模式2同理，模式1即CPOL=0，CPHA=1，SCK空閑為0，在SCK第二個邊沿時數據有效，即SCK下降沿有效。
模式2即CPOL=1，CPHA=0，SCK空閑為1，在SCK第一個邊沿時數據有效，即SCK下降沿有效。
在一些自帶SPI硬件外設的MCU上，設置主機的SPI模式非常簡單，只需要配置幾個寄存器的值即可，而且是寫了SCK高電平還是低電平，和第一個還是第二個邊沿，不用去記憶等于0還是等于1。以STM32F103硬件SPI配置為例：
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;SPI_InitStruct.SPI_Mode =SPI_Mode_Master; //主 ..... SPI_InitStruct.SPI_CPOL =SPI_CPOL_High; //SCK空閑時為高電瓶 SPI_InitStruct.SPI_CPHA =SPI_CPHA_1Edge;//SCK第一個邊沿有效 ..... SPI_Init(SPI2,&SPI_InitStruct);而在FPGA中實現，需要嚴格根據時序來控制SCK和數據的輸入輸出。
多種傳輸速率
SCK的速率就是SPI的傳輸速率，SPI協議沒有一個固定的速率，不像IIC標準模式100K，快速模式400K，高速模式3.4M，SPI的傳輸速率取決于器件本身支持多高的速率，器件手冊里都有描述，以FM25V05鐵電EPROM為例：
不同電源電壓情況下的最大SCK時鐘頻率：
SPI協議的基本時序
CS為低電平時，表示對應的從機設備被使能，在每個SCLK周期可以傳輸1Bit數據，采樣時刻取決于器件支持的SPI mode，根據不同SPI器件的控制方法，在進行正式的數據讀寫操作前，一般需要先寫入控制字，然后是寄存器地址和數據。下圖是FM25V05鐵電存儲器采用SPI模式0的寫時序：
讀時序：
如果要使用FPGA來實現SPI時序，在CS下降沿和SCLK第一個邊沿，或CS上升沿和SCLK最后一個邊沿之間要留有一定的延遲時間，一般是0.5個SCLK周期。
一些SPI從機設備支持菊花鏈連接模式，即節省GPIO，又不會占據太多布線面積，但并不是所有的SPI器件都支持菊花鏈模式。
控制時序：
SPI協議的升級版
傳統標準的SPI協議，一個SCLK周期只能傳輸1Bit數據，能不能一個SCLK傳輸多個Bit數據呢？答案是可以的。Motorola公司在現有的標準4線SPI協議上，又開發出了多種SPI協議的升級版，通過增加數據線位數的方式，來提高數據傳輸的效率，目前很多Flash廠家都已經支持多種SPI協議。
以比較常用的一款SPI Flash ROM W25Q128FW為例，在其器件手冊上寫著除了標準的4線SPI模式，還支持Dual SPI，Quad SPI，QPI等，在這幾種模式下，IO0/1/2/3這些IO作為雙向端口，大大增加了數據讀寫的速率。
QSPI協議讀寫時序：
一些支持QSPI協議的Flash芯片型號：
FPGA實現SPI協議
FPGA實現UART、SPI、IIC等串行時序，最常用的就是狀態機大法，將各個步驟分解為各個狀態，然后根據不同的狀態去控制輸出或讀取輸入，細節方面需要考慮數據的對齊、建立和保持時間、一些異常情況時狀態的跳轉，不能進入死循環，或卡死在某一個狀態。
下圖的波形是使用Xilinx FPGA對一款鐵電存儲器FM25V05的驅動，采用標準4線SPI協議，和IIC接口的ERPOM操作方式類似：先寫控制字，再寫地址，再寫數據或者讀數據，SCK時鐘頻率40MHz，使用ChipScope抓取到的實際讀寫波形，在SCK低電平中間數據改變，在SCK上升沿左右數據要保持穩定。
SPI寫時序，需要注意的是先寫使能命令，然后重新產生CS信號，這一塊卡了好久，在官方示例的C代碼中才發現了問題所在，還是對手冊上的時序理解不到位。
SPI讀時序，先寫控制字，再寫16位地址，然后讀8位數據。
SPI和IIC的對比
- SPI是全雙工，而IIC是半雙工。
- IIC支持多主機多從機模式，而SPI只能有一個主機。
- 從GPIO占用上來看，IIC占用更少的GPIO，更節省資源。
- SPI的數據位寬更靈活，可以根據需要選擇多位數據寬度。
- SPI協議沒有響應機制，主機無法得知從機是否接收到所發的數據，如果不采取一些方法的話可能會導致數據丟幀。
- 正是因為沒有復雜的響應機制，SPI協議可以做到非常高的速率(上百兆)，每一個SCK都可以進行數據的傳輸，通過引入CRC校驗等校驗方法，可以即高速傳輸數據，又能保持數據的準確度。
- IIC通過器件地址來選擇從機，從機數量的增加不會導致GPIO的增加，而SPI通過CS選擇從機，每增加一個從機就要多占用一個GPIO，當然也可以通過加入譯碼器來實現多從機控制。
- 兩者大多都應用于板內器件短距離通訊。
總結
使用FPGA來實現SPI時序，最大的好處就是靈活，時序可以根據需要精確的定制，可以實現非常高的速率，特別是同時驅動多片芯片上有很大的優勢，在一些高速AD采集的場合必須使用FPGA來實現，難點就是做起來比較麻煩，需要一點點的調試，仿真，雖然FPGA也有一些現成的IP可以使用，但還是不夠靈活。不像STM32等MCU那樣有現成的庫函數和寄存器簡單幾行代碼配置一下，就可以實現主從模式、SPI模式、數據位寬、多種速率、單線雙線、半雙工全雙工、DMA等等。總之，FPGA和MCU各有優點，也各有不足，根據需求來選擇吧！無論采用什么控制器實現，只要根據數據手冊嚴格控制時序，就沒有什么協議是不能搞定的！
總結
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