串行通信協(xié)議第 5 部分 - SPI

2021-07-10

串行通信協(xié)議第 5 部分 - SPI

我們將研究不同類(lèi)型的串行通信協(xié)議，我們將研究流行的 SPI 協(xié)議。這是我們將要研究的許多常用的流行協(xié)議之一。我們將在本系列的結尾對每種類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行有用的總結。

SPI 代表串行外設接口。它是一種串行通信總線(xiàn)，常用于微控制器和小型外圍設備之間的短距離通信，例如射頻模塊、移位寄存器、外部閃存IC以及各種傳感器和SD卡。它是同步的，這意味著(zhù)它有一個(gè)單獨的時(shí)鐘線(xiàn)。

SPI 協(xié)議是由摩托羅拉開(kāi)發(fā)的，盡管它被用于其他制造商生產(chǎn)的大量不同 IC、模塊和設備中。

SPI 協(xié)議允許全雙工通信，這意味著(zhù)連接到總線(xiàn)的設備可以同時(shí)發(fā)送和接收數據。

SPI 通信協(xié)議除接地外還包括四條線(xiàn)，它們是：

SCLK - 串行時(shí)鐘（主機輸出）

MOSI - Master Out Slave In（數據從主機輸出）

MISO - Master In Slave Out（從機輸出數據）

SS 或 CS - 從機選擇或片選（通常為低電平有效信號，由主機輸出）

根據數據表的來(lái)源，SPI 引腳可以標有不同的名稱(chēng)，因此在開(kāi)始設計之前仔細閱讀數據表至關(guān)重要。

兩個(gè)設備之間的 SPI 接線(xiàn)

SPI架構通常由一個(gè)主設備和多個(gè)主設備通信的從設備組成，這意味著(zhù)一組數據線(xiàn)可以連接到多個(gè)從設備。但是，從選擇與 I2C 完全不同?？稍?span> SPI 通信網(wǎng)絡(luò )中使用的從設備數量受可用的 SS（從設備選擇）或 CS（芯片選擇）引腳數量限制。

具有多個(gè) SS 引腳的 SPI 多設備連接

使用 SPI 協(xié)議的一些典型應用包括：

溫度和壓力傳感器

ADC、DAC、音頻編解碼器、數字電位器

觸摸屏、視頻游戲控制器

相機鏡頭控制

外部閃存和 EEPROM IC

RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）

液晶顯示器

MMC 或 SD 卡

我們將首先研究主站和從站之間的通信?？偩€(xiàn)主設備應配置 SPI 通信時(shí)鐘設置以使用從設備支持的頻率（通常高達幾 MHz）。

然后，主機通過(guò)將適當的從機選擇引腳拉低來(lái)選擇它想要與哪個(gè)從機通信，這會(huì )導致該從機開(kāi)始偵聽(tīng)。將選擇引腳拉高的其他從設備將忽略這些命令。

通信原理是主設備通過(guò)MOSI線(xiàn)向監聽(tīng)從設備發(fā)送數據。從機可以讀取這些數據，同時(shí)通過(guò) MISO 線(xiàn)將數據返回給主機，主機可以在那里讀取它。這就是全雙工數據傳輸的方式。

通常，這種通信涉及使用 8 位大小的寄存器，第一位是 MSB（最高位）。主機和從機都通過(guò)寄存器向前移動(dòng)一位，并在時(shí)鐘邊沿輸出最后一位。

主從通信及寄存器示例

當傳輸完成時(shí)，主設備通過(guò)拉高相應的從選擇引腳來(lái)取消選擇從。

盡管 SPI 數據傳輸通常包含 8 位消息傳遞，但其他字長(cháng)（例如 16 位）也常用于音頻編解碼器的觸摸屏控制器等應用。

在使用時(shí)鐘速度以外的機制的數據傳輸期間，可以使用備用設置，例如時(shí)鐘極性（哪個(gè)邏輯電平代表空閑狀態(tài)）和相位（在哪個(gè)時(shí)鐘沿，上升或下降，數據線(xiàn)被采樣）。

有四種不同的 SPI 模式：

 

下圖顯示了這些不同模式下 SPI 線(xiàn)的時(shí)序圖：

SPI 模式 0：CPOL = 0，CPHA = 0，CLK 空閑狀態(tài) = 低，數據在上升沿采樣并在下降沿移位

SPI 模式 1：CPOL = 0，CPHA = 1，CLK 空閑狀態(tài) = 低，數據在下降沿采樣并在上升沿移位

SPI 模式 2：CPOL = 1，CPHA = 1，CLK 空閑狀態(tài) = 高，數據在下降沿采樣并在上升沿移位

SPI 模式 3：CPOL = 1，CPHA = 0，CLK 空閑狀態(tài) = 低，數據在上升沿采樣并在下降沿移位

SPI 協(xié)議流行的原因之一是接收硬件可以非常簡(jiǎn)單。它可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器來(lái)實(shí)現。這是一種比實(shí)現 I2C 所需的更簡(jiǎn)單、更便宜的解決方案。

由于SPI總線(xiàn)速度較高，傳輸距離應保持很低（不超過(guò)幾米）。但是，可以通過(guò)降低時(shí)鐘速度或使用專(zhuān)門(mén)的 SPI 驅動(dòng)芯片來(lái)增加最大總線(xiàn)長(cháng)度。

擴展范圍的另一種解決方案是使用數據鏈路 IC 作為中間階段：

使用數據鏈路 IC 的 SPI 總線(xiàn)擴展

例如，您可以通過(guò)使用 RS-422 數據鏈路作為中間階段來(lái)擴展 SPI 通信距離。

使用SPI協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：

比I2C快得多

接收硬件很簡(jiǎn)單（簡(jiǎn)單的移位寄存器）

可以支持多個(gè)slave

使用SPI協(xié)議的缺點(diǎn)：

需要更多的信號線(xiàn)

通信必須明確定義，因為大多數從設備使用自己的協(xié)議

主站必須控制通信（沒(méi)有主站的命令，從站不能相互交談）

每個(gè)從設備通常需要單獨的 SS 或 CS 線(xiàn)