SPI 协议的解析
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目錄
1、SPI 的硬件層
1.1、SPI接口的信號線
1.2、SPI通信常見的連接方式
2、SPI的通信協(xié)議
2.1、起始信號
2.2、停止信號
2.3、數(shù)據(jù)有效性
2.4、時鐘的同步
3、SPI的四種工作模式
????????SPI協(xié)議是由摩托羅拉公司提出的一種串行外圍設備通信接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在ADC、LCD、存儲器等設備中，包括一些需要與MCU之間有較高通訊速率要求的場合中。
1、SPI 的硬件層
????????SPI是采用主從模式的一種通信方式，它支持一主一從、一主多從，但是不支持多主機模式。
常見的一主多從的連接方式如下：
1.1、SPI接口的信號線
????????SPI接口共有四根信號線，它們分別如下：
????????SCLK：時鐘信號線。由主機產(chǎn)生并控制。
????????MOSI：主機數(shù)據(jù)輸出，從機數(shù)據(jù)輸入。（主出從入）
????????MISO：主機數(shù)據(jù)輸入，從機數(shù)據(jù)輸出。（主入從出）
????????NSS：從機片選使能信號線。該信號由主機進行控制。在一主對多從的模式下，每一個從機都需要一個NSS，用于主機選擇和那個從機進行通信（一般為低電平有效）。當一個SPI設備需要發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，它必須拉低NSS信號，以通知所有其它的設備它是主設備。
1.2、SPI通信常見的連接方式
（1）SPI通信配置為全雙工的連接方式：
????????這種連接方式允許主從機之間互相進行通信，時鐘均由主機產(chǎn)生。
（2）單工模式 —— 主機接收，從機發(fā)送
????????這種模式下由主機產(chǎn)生時鐘SCK，主機只能收到從機上報的數(shù)據(jù)，不能向從機下發(fā)數(shù)據(jù)。
（3）單工模式 —— 主機發(fā)送，從機接收
????????這種模式下由主機產(chǎn)生時鐘SCK，主機只能向從機下發(fā)數(shù)據(jù)，不能接收從機上報的數(shù)據(jù)。常見的應用有帶SPI接口的LCD顯示屏。
（4）雙向通信的連接方式
2、SPI的通信協(xié)議
????????SPI的協(xié)議定義了通信的起始信號、停止信號、數(shù)據(jù)有效性、時鐘同步等。它的通訊時序如下：
圖：SPI通信時序圖
????????這是一個主機的通信時序，信號線 NSS、SCK、MOSI 都是由主機控制，MISO 是由從機進行控制。其中 MOSI 和 MISO 上的數(shù)據(jù)僅在 NSS 為低時才有效，并且每個SCK 時鐘周期只交換一位數(shù)據(jù)。
2.1、起始信號
????????SPI通信時序圖中的①為通信的起始信號，由主機控制NSS從高電平到低電平，從而選擇要進行通信的從機，再通過主機產(chǎn)生時鐘信號SCK，啟動一次數(shù)據(jù)的傳輸。
2.2、停止信號
????????SPI通信時序圖中的⑥為通信的起始信號，由主機控制NSS從低電平到高電平，從而結束一次數(shù)據(jù)的傳輸。
2.3、數(shù)據(jù)有效性
????????SPI 在 SCK 時鐘的同步下進行數(shù)據(jù)的準備和采樣，如通信時序圖的②③④⑤所示。在 NSS 為低的情況時，在 SCK 的上升沿時 MISO 和 MOSI 進行數(shù)據(jù)準備，SCK 的下降沿時讀取 MISO 和 MOSI 上的數(shù)據(jù)。在 NSS 為高時，MISO 和MOSI 上的數(shù)據(jù)無效。
2.4、時鐘的同步
????????SPI 的數(shù)據(jù)傳輸是需要 SCK 時鐘信號嚴格同步的，每一個 SCK 周期只傳輸一位數(shù)據(jù)，這一個周期里要完成數(shù)據(jù)的準備和采樣，且數(shù)據(jù)的輸入和輸出是同時進行的。
????????SPI中數(shù)據(jù)是MSB 先行或 LSB先行，在協(xié)議中是沒有硬性規(guī)定，只需通信雙方保持統(tǒng)一即可。
????????SPI 一次數(shù)據(jù)傳輸可以是 8 位或 16 位為單位，每次傳輸?shù)膯挝粩?shù)不受限制。
3、SPI的四種工作模式
????????SPI 一共有四種工作模式。它們的區(qū)別是：
????????1）總線空閑時 SCK 的電平狀態(tài)
????????2）數(shù)據(jù)開始采樣的時刻。
????????這四種模式是通過 “時鐘極性 CPOL” 和 “時鐘相位 CPHA” 的電平來實現(xiàn)和區(qū)分的。如下：
????????1）CPOL=0 時，SCK 引腳在空閑狀態(tài)保持低電平；
????????2）CPOL=1 時，SCK 引腳在空閑狀態(tài)保持高電平；
????????3）CPHA=0 時，SCK 時鐘的第一個邊沿進行采樣；
????????4）CPHA =1 時，SCK 時鐘的第二個邊沿進行采樣。
????????時鐘相位CPHA =1 ，數(shù)據(jù)在SCK 時鐘的第二個邊沿采樣的時序圖如下：
????????時鐘相位CPHA =0 ，數(shù)據(jù)在SCK 時鐘的第一個邊沿采樣的時序圖如下：
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總結
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