SPI總線協(xié)議的主要通信原理是什么？詳解分析
SPI總線協(xié)議的通信原理主要是通過全雙工模式進行數(shù)據(jù)傳輸。這種協(xié)議通常包括一個主設備和多個從設備，主設備通過選擇不同的從設備以及向其發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的方式來與多個從設備進行通信。SPI是一種同步通信協(xié)議，通過時鐘信號的同步作用實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個設備之間的傳遞。
具體來說，SPI通信一般由四根線(或者五根線)組成：
1. CLK(Clock)：時鐘信號，規(guī)定數(shù)據(jù)的傳輸時間。
2. MOSI(Master-Out-Slave-In)：主設備發(fā)出的數(shù)據(jù)。
3. MISO(Master-In-Slave-Out)：從設備發(fā)出的數(shù)據(jù)。
4. SS(Slave Select)：從設備的選擇信號。因為SPI可以同時控制多個設備，所以可以使用多個SS線來實現(xiàn)多個從設備的選擇。
在SPI通信過程中，主設備通過將數(shù)據(jù)寫入MOSI線路來發(fā)送數(shù)據(jù)，同時從設備會通過MISO線路讀取數(shù)據(jù)。主設備可以通過SS線路來選擇特定的從設備進行通信，從而實現(xiàn)與多個從設備的交互。此外，主設備和從設備之間的數(shù)據(jù)傳輸是同步的，以時鐘信號CLK為基準進行傳輸。SPI主機設備以從機設備支持的頻率通過SCLK線給到SPI從機設備，這點也意味著從機是無法主動向主機發(fā)送數(shù)據(jù)的，只能主機輪詢向從機發(fā)或者從機設備主動通過一個IO口來告知主機數(shù)據(jù)到達。
在SPI每個時鐘周期內(nèi)，都會進行一次全雙工數(shù)據(jù)的傳輸。主機通過MOSI線上發(fā)送1bit時，從機也會在讀取到之后通過MISO線發(fā)送1bit數(shù)據(jù)出去。這說明，即使只進行單工通信，也會保持此通信順序。
SPI傳輸通常涉及到兩個給定了字長的移位寄存器。例如在主機、從機中的8bit的移位寄存器。它們以虛擬環(huán)形拓撲連接，數(shù)據(jù)通常先從最高有效位被移出。在時鐘沿，主機和從機都移出1bit數(shù)據(jù)從傳輸線上給到對方。在下一個時鐘邊沿來到時，雙方的接收器再對傳輸線上的該bit進行采樣，并將其設置為移位寄存器的新的最低有效位。在寄存器位被移出和移入后，主機和從機交換了寄存器值。如果需要交換更多數(shù)據(jù)，則重新加載移位寄存器并重復該過程。傳輸可以持續(xù)任意數(shù)量的時鐘周期。完成后，主機停止切換時鐘信號
以下是STM32的SPI初始化示例，使用HAL庫函數(shù)實現(xiàn)：
void SPIx_Init(void)
{
SPI_HandleTypeDef hspi;
/* 配置SPI參數(shù) */
hspi.Instance = SPIx;
hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;
hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
hspi.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
hspi.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
hspi.Init.CRCPolynomial = 10;
hspi.Init.CRCLength = SPI_CRC_LENGTH_DATASIZE;
hspi.Init.NSSPMode = SPI_NSS_PULSE_ENABLE;
/* 初始化SPI */
if (HAL_SPI_Init(&hspi) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
這個示例中，我們使用HAL庫函數(shù)來初始化SPI，其中SPIx表示要初始化的SPI的實例。在函數(shù)內(nèi)部，我們首先定義了一個SPI_HandleTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體變量hspi，然后配置了SPI的參數(shù)。最后，我們調(diào)用HAL_SPI_Init函數(shù)來初始化SPI。如果初始化失敗，則調(diào)用Error_Handler函數(shù)處理錯誤。
SPI通信流程可以概括為以下幾個步驟：
主設備發(fā)起信號，將CS/SS拉低，選擇片選，啟動通信。
主設備通過發(fā)送時鐘信號，來告訴從設備進行寫數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)操作。它將立即讀取數(shù)據(jù)線上的信號，得到一位數(shù)據(jù)。
主機將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)，緩存區(qū)經(jīng)過移位寄存器將字節(jié)一位一位的移出去傳送給從機。同時，從機接收緩沖區(qū)滿標志位和中斷標志位置“1”。
同時，從移位寄存器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區(qū)。
主CPU檢測到主接收緩沖器的滿標志位或者中斷標志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)。同樣，從CPU檢測到從接收緩沖器滿標志位或中斷標志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)。
SPI協(xié)議的優(yōu)點主要包括：高速數(shù)據(jù)傳輸,SPI協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速度比I2C等其他協(xié)議更快，因為它沒有數(shù)據(jù)應答信號，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲。硬件接口簡單,SPI協(xié)議的硬件接口比較簡單，只需要4條線就可以實現(xiàn)全雙工通信，不需要額外的收發(fā)器或晶振，節(jié)省了硬件資源。靈活的數(shù)據(jù)傳輸,SPI協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸可以是8位、16位、32位等任意大小的字，比I2C等協(xié)議更靈活。便于擴展,SPI協(xié)議支持多個主設備和多個從設備，方便系統(tǒng)擴展。
SPI協(xié)議的缺點主要包括：沒有硬件應答信號,SPI協(xié)議沒有硬件應答信號，如果主設備沒有收到從設備的應答，就無法知道數(shù)據(jù)是否已正確傳輸，這可能導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性。占用引腳多,SPI協(xié)議需要4根信號線，而I2C協(xié)議只需要2根信號線，因此在引腳數(shù)量上SPI協(xié)議比I2C協(xié)議占用更多的引腳。只能支持一個主設備,SPI協(xié)議只能支持一個主設備，而I2C協(xié)議可以支持多個主設備和多個從設備。傳輸距離有限,SPI協(xié)議的傳輸距離相對較短，一般在幾厘米到幾米之間，而I2C協(xié)議的傳輸距離可以達到數(shù)十米。
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