數(shù)字接口系列文章之SPI總線

　串行外設(shè)接口 (SPI) 總線是一種運行于全雙工模式下的同步串行數(shù)據(jù)鏈路。用于在單個主節(jié)點和一個或多個從節(jié)點之間交換數(shù)據(jù)。SPI 總線實施簡單，僅使用四條數(shù)據(jù)信號線和控制信號線（請參見圖 1）。

　　圖 1 基本的 SPI 總線

　　盡管表 1 中的引腳名稱取自 MOTOROLA 公司的 SPI 標(biāo)準(zhǔn)，但特殊集成電路的 SPI 端口名稱通常與圖 1 中所標(biāo)示的名稱有所不同。

　　表 1 SPI 引腳名稱分配

　　SPI 數(shù)據(jù)速率通常介于 1 到 70 MHz 之間，字節(jié)長度范圍從 8 位和 12 位到這些數(shù)值的倍數(shù)位。

　　數(shù)據(jù)傳輸通常會包含一次數(shù)據(jù)交換。當(dāng)主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，從節(jié)點也會向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。為此，主節(jié)點的內(nèi)部移位寄存器和從節(jié)點被設(shè)置成環(huán)形（請參見圖 2）。

　　圖 2 兩個移位寄存器形成一個內(nèi)部芯片環(huán)形緩沖器

　　在數(shù)據(jù)交換之前，主節(jié)點和從節(jié)點使其內(nèi)部移位寄存器加載存儲器數(shù)據(jù)。產(chǎn)生時鐘信號時，主節(jié)點會通過 MOSI 線同步輸出其移位寄存器。同時，從節(jié)點在 SIMO 處從主節(jié)點讀取第一位，并將其存儲到存儲器中，然后通過 SOMI 輸出 MSB。主節(jié)點會在 MISO 處讀取從節(jié)點的第一位，并將其存儲到存儲器中以待稍后處理。整個過程將一直持續(xù)，直至交換完所有數(shù)據(jù)位，然后主節(jié)點使時鐘空閑并通過 /SS 禁用從節(jié)點。

　　除設(shè)置時鐘頻率之外，主節(jié)點還會配置相對于數(shù)據(jù)的時鐘極性和時鐘相位。這兩個選項分別稱作 CPOL 和 CPHA，能夠允許時鐘信號實現(xiàn) 180 度相移且數(shù)據(jù)延遲半個時鐘周期。圖 3 顯示了相應(yīng)的時序圖。

　　圖 3 時鐘極性和相位的時序圖

　　CPOL = 0 時，時鐘在邏輯 0 處空閑：

　　*如果 CPHA = 0，數(shù)據(jù)會在 SCK 的上升沿上讀取，在下降沿上變化。

　　*如果 CPHA = 1，數(shù)據(jù)會在 SCK 的下降沿上讀取，在上升沿上變化。

　　CPOL = 1時，時鐘在邏輯高電平處空閑：

　　*如果 CPHA = 0，數(shù)據(jù)會在 SCK的下降沿上讀取，在上升沿上變化。

　　*如果 CPHA = 1，數(shù)據(jù)會在 SCK 的上升沿上讀取，在下降沿上變化。

　　在 SPI 中，主節(jié)點可以與單個或多個從節(jié)點進(jìn)行通信。在使用單個從節(jié)點的情況下，從選擇信號可以關(guān)聯(lián)到從設(shè)備的本地接地電位以允許永久接入。對于使用多個從節(jié)點的應(yīng)用，可能有兩種結(jié)構(gòu)：獨立和菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點（請參見圖 4）。

　　圖 4 主節(jié)點與獨立從節(jié)點（左）以及菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點（右）進(jìn)行通信

　　從節(jié)點獨立尋址時，主節(jié)點必須提供多個從選擇信號。該結(jié)構(gòu)一般用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，其中的多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 都必須單獨接入。

　　菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點需要主節(jié)點提供唯一的從選擇信號，因此該結(jié)構(gòu)要求同時啟用所有從節(jié)點，以確保菊花鏈內(nèi)通過所有移位寄存器的數(shù)據(jù)流不會中斷。典型的應(yīng)用為工業(yè)級 I/O 模塊中的級聯(lián)多通道輸入串行器和輸出驅(qū)動器。