SPI总线介绍

 

    SPI，是英语Serial Peripheral Interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。
    SPI是一个环形总线结构，由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
    上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
    上升沿到来的时候，sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。
    下降沿到来的时候，sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。

    假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa (10101010)，从机的sbuff=0x55 (01010101)，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍(假设上升沿发送数据)。

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脉冲           主机sbuff    从机sbuff     sdi    sdo
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0    00-0     10101010     01010101      0      0
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1    0--1     0101010x     10101011      0      1
1    1--0     01010100     10101011      0      1
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2    0--1     1010100x     01010110      1      0
2    1--0     10101001     01010110      1      0
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3    0--1     0101001x     10101101      0      1
3    1--0     01010010     10101101      0      1
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4    0--1     1010010x     01011010      1      0
4    1--0     10100101     01011010      1      0
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5    0--1     0100101x     10110101      0      1
5    1--0     01001010     10110101      0      1
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6    0--1     1001010x     01101010      1      0
6    1--0     10010101     01101010      1      0
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7    0--1     0010101x     11010101      0      1
7    1--0     00101010     11010101      0      1
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8    0--1     0101010x     10101010      1      0
8    1--0     01010101     10101010      1      0
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    这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的0--1表示上升沿、1--0表示下降沿，sdi、 sdo相对于主机而言的。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。
    SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。
    SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。




    SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。 SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。

SPI功能模块的设计
    根据功能定义及SPI的工作原理，将整个IP Core分为8个子模块：uC接口模块、时钟分频模块、发送数据FIFO模块、接收数据FIFO模块、状态机模块、发送数据逻辑模块、接收数据逻辑模块以及中断形式模块。

    深入分析SPI的四种传输协议可以发现，根据一种协议，只要对串行同步时钟进行转换，就能得到其余的三种协议。为了简化设计规定，如果要连续传输多个数据，在两个数据传输之间插入一个串行时钟的空闲等待，这样状态机只需两种状态(空闲和工作)就能正确工作。