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通信协议 - SPI

SPI(Serial Peripheral Interface)是一种 全双工、同步、串行、主从、总线 通信协议,其数据传输速率为 8 Mbit。SPI 只能有一个主机,可连接一个或多个从机。连接多设备时,需要用到片选引脚(chip select,CS)。

SPI 的引脚

  • SCLK(serial clock):由主机驱动的方波时钟信号,从端为输入采样。SDO 和 SDI 上的信号根据 SCLK 上的时钟信号来进行锁存操作。一个时钟周期传输 1bit 数据,所以传输速率等同于主机产生的时钟频率。
  • SDI/SDO(serial data in / serial data out):描述了相对于主机的数据流的方向,但更多时候在板子上出现的是 MOSI(Master Out Slave In)和 MISO(Master In Slave Out)。对应地,SDO 在主机上是 MOSI,在从机上是 MISO;而 SDI 在主机上是 MISO,在从机上是 MOSI;在菊花链拓扑中,A 器件 MISO 连接到 B 器件的 MISO。
  • CS/SS(chip select / slave select):由主机驱动,用于仲裁 SPI 总线上通信的优先级。当 CS 线上为低电平时,就会激活 SPI 通信。CS 是低电平有效。

SPI 数据锁存操作

  • SPI 数据在 SCLK 上升或下降沿时进行锁存。
  • 锁存数据的边沿称为临界边沿。
  • 举个例子,以下左图表示 SDO 在上升沿锁存逻辑 1,右图表示在下降沿锁存逻辑 0

SPI 读取句段示例

  1. 临界边沿为上升沿
  2. 主机输出到从机(在从机上为 SDI)
  3. CS 脚被拉低为 0V,以激活 SPI
  4. 数据在 SCLK 上升沿时,从高位(MSB)到低位(LSB)按顺序进行传输
  5. 完成传输数据:1011001

SPI 临界边沿

  • tSUt_{SU}(setup time):定义在临界边沿事件发生多久前,SDI 数据就该被确定并稳定下来。
  • tHOt_{HO}(hold time):定义在临界边沿事件发生后,SDI 上的数据必须保留多长时间。
  • tDOt_{DO}(delay time):定义在临界边沿事件发生后,SDO 上的有效数据的延迟时间。

SPI 传输模式(4 种)

  • CPOL(clock polarity,时钟极性):空闲(不传输数据)时钟的极性,0 代表低电平,1 代表高电平。
  • CPHA(clock phase,时钟相位):定义在上升还是下降沿进行锁存。0 代表在第一个变化的边沿进行锁存;1 代表在第二个变化的边沿进行锁存。
模式编号CPOL(时钟极性)CPHA(时钟相位)锁存边沿
00(低电平)0(在第一个边沿进行锁存)上升沿
10(低电平)1(在第二个边沿进行锁存)下降沿
21(高电平)0(在第一个边沿进行锁存)下降沿
31(高电平)1(在第二个边沿进行锁存)上升沿

菊花链(Daisy Chain)

在普通模式下,SPI 每个从机都需要一条 CS 线。当从机一多,会占用主机过多的 IO 口。使用菊花链的拓扑连接,就可以只用一条 CS 线,驱动所有的从机。

菊花链的原理是,数据从主机传输到第一个从机,然后从第一个从机传输到第二个从机,依此下去,数据沿着线路级联,直到系列中的最后一个从机,最后的一个从机通过 SDO 将数据传送到主机。

SPI 的优缺点

优点:

  • 全双工通信
  • 推挽驱动,能提供比较好的信号完整性和较高的速度
  • 协议灵活,不仅限于 8-bit 一个字节
  • 硬件设计简单
    • 不需要上拉电阻,因此功耗更低
    • 没有仲裁机制或相关的失效模式
    • 从机不需要时钟(由主机提供)
    • 从设备不需要单独的地址
    • 不需要收发器
    • 信号都是单向的,容易进行电流隔离
  • 时钟速率没有上限

缺点:

  • 用到的引脚比 I2C 多
  • 从机无法进行硬件应答
  • 没有错误检查机制,如 UART 中的奇偶校验位
  • 只能有一个主机
  • 规范不统一,无法验证一致性
  • 传输距离相对比较近(相比 CAN、RS232、RS485 等)

参考与致谢

  • 《Analog Engineer’s Pocket Reference》

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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