SPI通信協(xié)議有哪些應(yīng)用及原理？

SPI，Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口，是一種同步通信協(xié)議，通常用于芯片間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。SPI總線通常由四根線組成：時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線、主機(jī)選擇線與從機(jī)選擇線。本文將介紹SPI通信協(xié)議的基本原理和使用場景，并附帶示例代碼。

一、基本原理

SPI協(xié)議是一種全雙工協(xié)議，其中最多存在一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備通過選擇不同的從設(shè)備、向其發(fā)送數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)的方式，與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信。SPI是一種同步通信協(xié)議，亦即通過時(shí)鐘信號(hào)的同步作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個(gè)設(shè)備之間的傳遞。

SPI通信一般由四根線(或者五根線)組成：

1. CLK(Clock)：時(shí)鐘信號(hào)，規(guī)定數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。

2. MOSI(Master-Out-Slave-In)：主設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)。

3. MISO(Master-In-Slave-Out)：從設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)。

4. SS(Slave Select)：從設(shè)備的選擇信號(hào)，因?yàn)镾PI可以同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備，所以可以使用多個(gè)SS線來實(shí)現(xiàn)多個(gè)從設(shè)備的選擇。

(5. 全雙工模式下，數(shù)據(jù)輸出線為MOSI，數(shù)據(jù)輸入線為MISO，兩個(gè)設(shè)備分別向?qū)Ψ絺鬏敂?shù)據(jù)。)

二、使用場景

SPI是一種非常常見的芯片間通信協(xié)議，它的應(yīng)用場景非常廣泛，如：

1. 內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸

無論是芯片內(nèi)部還是與其他芯片之間的通訊，SPI都能體現(xiàn)出其高效率與高速性。它的主機(jī)能同時(shí)與多個(gè)從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使得芯片之間的數(shù)據(jù)交換更為高效。

2. 存儲(chǔ)器

常見的存儲(chǔ)器芯片，如EEPROM、Flash以及SRAM等均可以使用SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。

3. 傳感器

SPI協(xié)議在很多傳感器中也得到廣泛應(yīng)用。比如陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器等。

SPI是一種高速、全雙工、同步通信總線，所以可以在同一時(shí)間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，SPI沒有定義速度限制，通常能達(dá)到甚至超過10M/bps。

SPI是有主從機(jī)設(shè)備的，主機(jī)只允許有一個(gè)，從機(jī)可以有多個(gè)。

SPI通信時(shí)需要用到四根線，單向傳輸時(shí)需要用到三根線，即單工模式。它們是MISO(主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入)、MOSI(主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(時(shí)鐘)和CS/SS(片選)

MISO( Master Input Slave Output)：主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出信號(hào)引腳。

MOSI(Master Output Slave Input)：主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入信號(hào)引腳。

SCLK(Serial Clock)：時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生。

CS/SS(Chip Select/Slave Select)：從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制，一主多從時(shí)，CS/SS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號(hào)，只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)(高電位或低電位)，主芯片對此從芯片的操作才有效。

SPI的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

無起始位和停止位，因此數(shù)據(jù)位可以連續(xù)傳輸而不會(huì)被中斷(根據(jù)通信芯片的選擇可能有所區(qū)別，但SPI通信本身沒有硬性的起始位停止位規(guī)定);

沒有像I2C這樣復(fù)雜的從設(shè)備尋址系統(tǒng);

數(shù)據(jù)傳輸速率比I2C更高(幾乎快兩倍);

分離的MISO和MOSI信號(hào)線，因此可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù);

極其靈活的數(shù)據(jù)傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字;

非常簡單的硬件結(jié)構(gòu)。從站不需要唯一地址(與I2C不同)。從機(jī)使用主機(jī)時(shí)鐘，不需要精密時(shí)鐘振蕩器/晶振(與UART不同)。不需要收發(fā)器(與CAN不同)。

缺點(diǎn)

使用四根信號(hào)線(I2C和UART使用兩根信號(hào)線);

無法確認(rèn)是否已成功接收數(shù)據(jù)(I2C應(yīng)答位擁有此功能);

沒有任何形式的錯(cuò)誤檢查，如UART中的奇偶校驗(yàn)位;

只允許一個(gè)主設(shè)備;

沒有硬件從機(jī)應(yīng)答信號(hào)(主機(jī)可能在不知情的情況下無處發(fā)送);

沒有定義硬件級(jí)別的錯(cuò)誤檢查協(xié)議;

與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離;

電子設(shè)備之間的通信就像人類之間的交流，雙方都需要說相同的語言。在電子產(chǎn)品中，這些語言稱為通信協(xié)議。

之前有單獨(dú)地分享了SPI、UART、I2C通信的文章，這篇對它們做一些對比。

串行 VS 并行

電子設(shè)備通過發(fā)送數(shù)據(jù)位從而實(shí)現(xiàn)相互交談。位是二進(jìn)制的，只能是1或0。通過電壓的快速變化，位從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備。在以5V工作的系統(tǒng)中，“0”通過0V的短脈沖進(jìn)行通信，而“1”通過5V的短脈沖進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)位可以通過并行或串行的形式進(jìn)行傳輸。另外也可以通過此視頻了解:視頻講解UART、I2C、SPI串口通信。在并行通信中，數(shù)據(jù)位在導(dǎo)線上同時(shí)傳輸。下圖顯示了二進(jìn)制(01000011)中字母“C”的并行傳輸：

在串行通信中，位通過單根線一一發(fā)送。下圖顯示了二進(jìn)制(01000011)中字母“C”的串行傳輸：

SPI通信

SPI是一種常見的設(shè)備通用通信協(xié)議。它有一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢就是可以無中斷傳輸數(shù)據(jù)，可以連續(xù)地發(fā)送或接收任意數(shù)量的位。而在I2C和UART中，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，有著限定位數(shù)。

在SPI設(shè)備中，設(shè)備分為主機(jī)與從機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)是控制設(shè)備(通常是微控制器)，而從機(jī)(通常是傳感器，顯示器或存儲(chǔ)芯片)從主機(jī)那獲取指令。

一套SPI通訊共包含四種信號(hào)線：MOSI (Master Output/Slave Input) – 信號(hào)線，主機(jī)輸出，從機(jī)輸入。MISO (Master Input/Slave Output) – 信號(hào)線，主機(jī)輸入，從機(jī)輸出。SCLK (Clock) – 時(shí)鐘信號(hào)。SS/CS (Slave Select/Chip Select) – 片選信號(hào)。

SPI協(xié)議特點(diǎn)

實(shí)際上，從機(jī)的數(shù)量受系統(tǒng)負(fù)載電容的限制，它會(huì)降低主機(jī)在電壓電平之間準(zhǔn)確切換的能力。

時(shí)鐘信號(hào)

每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热Q于時(shí)鐘信號(hào)的頻率。 時(shí)鐘信號(hào)由于是主機(jī)配置生成的，因此SPI通信始終由主機(jī)啟動(dòng)。

設(shè)備共享時(shí)鐘信號(hào)的任何通信協(xié)議都稱為同步。SPI是一種同步通信協(xié)議，還有一些異步通信不使用時(shí)鐘信號(hào)。 例如在UART通信中，雙方都設(shè)置為預(yù)先配置的波特率，該波特率決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜁r(shí)序。

片選信號(hào)

主機(jī)通過拉低從機(jī)的CS/SS來使能通信。 在空閑/非傳輸狀態(tài)下，片選線保持高電平。在主機(jī)上可以存在多個(gè)CS/SS引腳，允許主機(jī)與多個(gè)不同的從機(jī)進(jìn)行通訊。

如果主機(jī)只有一個(gè)片選引腳可用，則可以通過以下方式連接這些從器件：

MOSI和MISO

主機(jī)通過MOSI以串行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)也可以通過MISO將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，兩者可以同時(shí)進(jìn)行。所以理論上，SPI是一種全雙工的通訊協(xié)議。

傳輸步驟

1. 主機(jī)輸出時(shí)鐘信號(hào)

使用SPI有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如果在不同的通信協(xié)議之間進(jìn)行選擇，則應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行充分考量。

SPI優(yōu)點(diǎn)

SPI通訊無起始位和停止位，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)流傳輸而不會(huì)中斷;沒有像I2C這樣的復(fù)雜的從站尋址系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速率比I2C更高(幾乎快兩倍)。獨(dú)立的MISO和MOSI線路，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

SPI缺點(diǎn)

SPI使用四根線(I2C和UART使用兩根線)，沒有信號(hào)接收成功的確認(rèn)(I2C擁有此功能)，沒有任何形式的錯(cuò)誤檢查(如UART中的奇偶校驗(yàn)位等)。

UART代表通用異步接收器/發(fā)送器也稱為串口通訊，它不像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是微控制器中的物理電路或獨(dú)立的IC。

UART的主要目的是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，其最好的優(yōu)點(diǎn)是它僅使用兩條線在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。UART的原理很容易理解，但是如果您還沒有閱讀SPI 通訊協(xié)議，那可能是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。

UART通信

在UART通信中，兩個(gè)UART直接相互通信。相關(guān)實(shí)例:按下按鍵，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)例。發(fā)送UART將控制設(shè)備(如CPU)的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式，以串行方式將其發(fā)送到接收UART。只需要兩條線即可在兩個(gè)UART之間傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從發(fā)送UART的Tx引腳流到接收UART的Rx引腳：

UART屬于異步通訊，這意味著沒有時(shí)鐘信號(hào)，取而代之的是在數(shù)據(jù)包中添加開始和停止位。這些位定義了數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，因此接收UART知道何時(shí)讀取這些數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收UART檢測到起始位時(shí)，它將以特定波特率的頻率讀取。波特率是數(shù)據(jù)傳輸速度的度量，以每秒比特?cái)?shù)(bps)表示。兩個(gè)UART必須以大約相同的波特率工作，發(fā)送和接收UART之間的波特率只能相差約10%。

UART工作原理

發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線獲取并行數(shù)據(jù)后，它會(huì)添加一個(gè)起始位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位來組成數(shù)據(jù)包并從Tx引腳上逐位串行輸出，接收UART在其Rx引腳上逐位讀取數(shù)據(jù)包。

UART數(shù)據(jù)包含有1個(gè)起始位，5至9個(gè)數(shù)據(jù)位(取決于UART)，一個(gè)可選的奇偶校驗(yàn)位以及1個(gè)或2個(gè)停止位：

起始位：

UART數(shù)據(jù)傳輸線通常在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)保持在高電壓電平。開始傳輸時(shí)發(fā)送UART在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將傳輸線從高電平拉低到低電平，當(dāng)接收UART檢測到高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，它開始以波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

數(shù)據(jù)幀：

數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含正在傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗(yàn)位，則可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校驗(yàn)位，則數(shù)據(jù)幀的長度可以為9位。

校驗(yàn)位：

奇偶校驗(yàn)位是接收UART判斷傳輸期間是否有任何數(shù)據(jù)更改的方式。接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后，它將對值為1的位數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)，是否與數(shù)據(jù)相匹配。

停止位：

為了向數(shù)據(jù)包的結(jié)尾發(fā)出信號(hào)，發(fā)送UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅(qū)動(dòng)到高電壓至少持續(xù)兩位時(shí)間。