SPI協議學習

• 背景
• SPI協議時序
• • SPI接口
  • SPI時序
• SPI協議封裝
• • USB-SPI模塊
  • SPI數據格式定義
  • • FLASH數據格式參考
    • 數據格式定義

背景

家里有一塊ZYNQ開發板，經常想去寫一寫模塊學習總線之類的東西，但是由于本人軟件能力比較弱，ZYNQ的PS部分無論是Linux還是裸機用起來著實吃力，所以準備拋棄ARM部分，主要用PL部分。于是就想通過PC作為上位機，來訪問內部的一些寄存器完成控制與調試。

常用的低速接口有UART、I2C、SPI等，從速率上看，SPI最佳。雖然是簡單的調試，但是訪問速度還是希望越快越好嘛。于是在某寶上淘來了USB轉SPI的模塊，準備通過SPI連到PL來完成簡單的訪問。

于是想寫一個自定義的SPI SLAVE模塊，方便邏輯簡單的調試。

SPI協議時序

SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種相對高速的，源同步通信總線。

SPI接口

SPI一般有4根信號線：

• SS_N：片選信號，拉低代表片選有效；SPI支持一對多傳輸，在有多個從設備的時候，主設備會到每一個從設備都有一個SS_N信號；
• SCLK：時鐘信號，用于給從設備提供源同步時鐘，僅在數據傳輸時才存在；
• MOSI：Master Out Slave In信號，主設備→從設備的數據信號；
• MISO：Master In Slave Out信號，從設備→主設備的數據信號；

上述這種數據定義是指的標準SPI模式，也就是Standard/Normal SPI模式。在某些對傳輸速率有要求的場合還會有Dual SPI模式和Quad SPI模式，常見于SPI NOR Flash這類的器件。

• Dual SPI：這種模式下MOSI與MISO信號變成了半雙工，名稱一般變為了SIO0、SIO1；因為一般Master與Slave不會同時輸出數據，因此在Master發送數據的時候，兩個信號均從Master傳往Slave，在Slave回復數據的時候兩根信號均從Slave傳往Master，傳輸速率是標準模式的2倍。
• Quad SPI：這種模式下相比Dual SPI模式又多了兩根依舊是半雙工的數據線，即SIO2、SIO3，通常在SPI NOR FLASH上可能會和WP、HOLD管腳復用；傳輸模式與Dual SPI一樣，因此傳輸速率是標準模式的4倍。

SPI時序

SPI的具體時序如下圖所示：（圖片源于《SPI協議（上）——基礎介紹》）

SPI協議里有2個和時序相關的參數，我介紹一下自己的理解：

• CPOL：clk polar，時鐘的極性，代表空閑狀態下SCLK的狀態；0：空閑為低；1：空閑為高；
• CPHA：clk phase，時鐘的相位，代表第幾個時鐘沿是采樣沿；0：第1個；1：第2個

主從設備均根據SCK對應的采樣沿與數據輸出沿進行數據的操作與傳輸。

SPI協議封裝

由于SPI的接口時序相對簡單，簡單來說就是一個源同步的串口，具體傳輸規則的定義就自由度很大了。

USB-SPI模塊

在某寶上買的這個USB-SPI模塊看了下好像還挺高級，既支持當SPI Master還支持當Slave，還有I2C功能，當時看著功能挺多的就選了這個，以備不時之需。當然目前我需要用的功能就是PC端通過這個模塊當MASTER。
看了下基本上都是以Byte為單位操作，一次性最多可以傳輸4096-byte也就是32768-bit的數據。那后面Slave的相關設計就保底按照這個規格來考慮了。

SPI數據格式定義

FLASH數據格式參考

格式定義準備參考SPI FLASH的數據格式，這里是一份SPI FLASH的datasheet里的格式參考：

其中主要以 操作碼 開頭，后面再跟著不同操作的不同的數據格式

數據格式定義

之前自己開發過一個SPI的master和slave，也是進行簡單的寄存器讀寫訪問的，遇到了一個問題：設計幀格式的時候，沒有考慮內部總線的時延，當時的幀格式是操作碼+地址+數據，地址之后緊接著就是數據，這樣在讀操作的時候，收完地址后立馬要去內部總線里去尋址讀數據，緊接著就要立馬輸出讀取到數據的第一個bit了，那么尋址返回數據的時間只有辦個SCLK的周期，這個在一定程度上導致了SPI整體的速率上不去。

其中一個解決方案就是像上面那份FLASH的FAST READ一樣，在發送完地址之后，定義一個byte的DUMMY字段，這樣就給尋址返回數據預留了充足的時間。

但是我想為了提升效率，幀格式定義為了地址+操作碼+數據，讀寫的區分定義在操作碼的第1bit，這樣也就預留了一定的時間給數據返回用。

整體數據格式的定義：

含義Byte位寬(bit)

地址	Byte0~Byte2	24 (簡單調試24bit應該綽綽有余)
操作碼	Byte3	8
數據	剩余Byte	剩余數據(根據SS_N何時結束來判斷)

操作碼含義的定義：

位域內容

bit[7]	讀寫指示；0：讀；1：寫；
bit[6:4]	操作位寬指示(指示總線有效數據位寬) 0:8-bit; 1:16-bit; 2:32-bit; 3:64-bit: 4:128-bit; 5:256-bit; 6:512-bit; 7:1024-bit
bit[3:0]	保留字段

總結

以上是生活随笔為你收集整理的SPI协议学习的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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