單片機(jī) SPI 通信接口

UART、I2C 和 SPI 是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的三種通信協(xié)議。前邊我們已經(jīng)學(xué)了 UART 和 I2C 通信協(xié)議，這節(jié)課我們來學(xué)習(xí)剩下的 SPI 通信協(xié)議。

SPI 是英語 Serial Peripheral Interface 的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。SPI 是一種高速的、全雙工、同步通信總線，標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 也僅僅使用4個(gè)引腳，常用于單片機(jī)和 EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字信號(hào)處理器等器件的通信。SPI 通信原理比 I2C 要簡(jiǎn)單，它主要是主從方式通信，這種模式通常只有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或者多個(gè)從機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 是4根線，分別是 SSEL（片選，也寫作 SCS）、SCLK（時(shí)鐘，也寫作 SCK）、MOSI（主機(jī)輸出從機(jī)輸入 Master Output/Slave Input）和 MISO（主機(jī)輸入從機(jī)輸出 Master Input/Slave Output）。

SSEL：從設(shè)備片選使能信號(hào)。如果從設(shè)備是低電平使能的話，當(dāng)拉低這個(gè)引腳后，從設(shè)備就會(huì)被選中，主機(jī)和這個(gè)被選中的從機(jī)進(jìn)行通信。

SCLK：時(shí)鐘信號(hào)，由主機(jī)產(chǎn)生，和 I2C 通信的 SCL 有點(diǎn)類似。

MOSI：主機(jī)給從機(jī)發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)的通道。

MISO：主機(jī)讀取從機(jī)的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)的通道。

在某些情況下，我們也可以用3根線的 SPI 或者2根線的 SPI 進(jìn)行通信。比如主機(jī)只給從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)不需要回復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)候，那么 MISO 就可以不要；而在主機(jī)只讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)，不需要給從機(jī)發(fā)送指令的時(shí)候，那 MOSI 就可以不要；當(dāng)一個(gè)主機(jī)一個(gè)從機(jī)的時(shí)候，從機(jī)的片選有時(shí)可以固定為有效電平而一直處于使能狀態(tài)，那么 SSEL 就可以不要；此時(shí)如果再加上主機(jī)只給從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么 SSEL 和 MISO 都可以不要；如果主機(jī)只讀取從機(jī)送來的數(shù)據(jù)，SSEL 和 MOSI 都可以不要。

3線和2線的 SPI 大家要知道怎么回事，實(shí)際使用也是有應(yīng)用的，但是當(dāng)我們提及 SPI 的時(shí)候，一般都是指標(biāo)準(zhǔn) SPI，都是指4根線的這種形式。

SPI 通信的主機(jī)也是我們的單片機(jī)，在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)序的過程中，有四種模式，要了解這四種模式，首先我們得學(xué)習(xí)以下兩個(gè)名詞。

CPOL：Clock Polarity，就是時(shí)鐘的極性。時(shí)鐘的極性是什么概念呢？通信的整個(gè)過程分為空閑時(shí)刻和通信時(shí)刻，如果 SCLK 在數(shù)據(jù)發(fā)送之前和之后的空閑狀態(tài)是高電平，那么就是 CPOL=1，如果空閑狀態(tài) SCLK 是低電平，那么就是 CPOL=0。

CPHA：Clock Phase，就是時(shí)鐘的相位。

主機(jī)和從機(jī)要交換數(shù)據(jù)，就牽涉到一個(gè)問題，即主機(jī)在什么時(shí)刻輸出數(shù)據(jù)到 MOSI 上而從機(jī)在什么時(shí)刻采樣這個(gè)數(shù)據(jù)，或者從機(jī)在什么時(shí)刻輸出數(shù)據(jù)到 MISO 上而主機(jī)什么時(shí)刻采樣這個(gè)數(shù)據(jù)。同步通信的一個(gè)特點(diǎn)就是所有數(shù)據(jù)的變化和采樣都是伴隨著時(shí)鐘沿進(jìn)行的，也就是說數(shù)據(jù)總是在時(shí)鐘的邊沿附近變化或被采樣。而一個(gè)時(shí)鐘周期必定包含了一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿，這是周期的定義所決定的，只是這兩個(gè)沿的先后并無規(guī)定。又因?yàn)閿?shù)據(jù)從產(chǎn)生的時(shí)刻到它的穩(wěn)定是需要一定時(shí)間的，那么，如果主機(jī)在上升沿輸出數(shù)據(jù)到 MOSI 上，從機(jī)就只能在下降沿去采樣這個(gè)數(shù)據(jù)了。反之如果一方在下降沿輸出數(shù)據(jù)，那么另一方就必須在上升沿采樣這個(gè)數(shù)據(jù)。

CPHA=1，就表示數(shù)據(jù)的輸出是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第一個(gè)沿上，至于這個(gè)沿是上升沿還是下降沿，這要視 CPOL 的值而定，CPOL=1 那就是下降沿，反之就是上升沿。那么數(shù)據(jù)的采樣自然就是在第二個(gè)沿上了。

CPHA=0，就表示數(shù)據(jù)的采樣是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第一個(gè)沿上，同樣它是什么沿由 CPOL 決定。那么數(shù)據(jù)的輸出自然就在第二個(gè)沿上了。仔細(xì)想一下，這里會(huì)有一個(gè)問題：就是當(dāng)一幀數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)谝粋€(gè) bit 時(shí)，在第一個(gè)時(shí)鐘沿上就采樣該數(shù)據(jù)了，那么它是在什么時(shí)候輸出來的呢？有兩種情況：一是 SSEL 使能的邊沿，二是上一幀數(shù)據(jù)的最后一個(gè)時(shí)鐘沿，有時(shí)兩種情況還會(huì)同時(shí)生效。

我們以 CPOL=1/CPHA=1 為例，把時(shí)序圖畫出來給大家看一下，如圖15-1所示。

圖15-1 SPI 通信時(shí)序圖（一）

大家看圖15-1所示，當(dāng)數(shù)據(jù)未發(fā)送時(shí)以及發(fā)送完畢后，SCK 都是高電平，因此 CPOL=1?？梢钥闯?，在 SCK 第一個(gè)沿的時(shí)候，MOSI 和 MISO 會(huì)發(fā)生變化，同時(shí) SCK 第二個(gè)沿的時(shí)候，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，此刻采樣數(shù)據(jù)是合適的，也就是上升沿即一個(gè)時(shí)鐘周期的后沿鎖存讀取數(shù)據(jù)，即 CPHA=1。注意最后最隱蔽的 SSEL 片選，這個(gè)引腳通常用來決定是哪個(gè)從機(jī)和主機(jī)進(jìn)行通信。剩余的三種模式，我們把圖畫出來，簡(jiǎn)化起見把 MOSI 和 MISO 合在一起了，大家仔細(xì)對(duì)照看看研究一下，把所有的理論過程都弄清楚，有利于你對(duì) SPI 通信的深刻理解，如圖15-2所示。

圖15-2 SPI 通信時(shí)序圖（二）

在時(shí)序上，SPI 是不是比 I2C 要簡(jiǎn)單的多？沒有了起始、停止和應(yīng)答，UART 和 SPI 在通信的時(shí)候，只負(fù)責(zé)通信，不管是否通信成功，而 I2C 卻要通過應(yīng)答信息來獲取通信成功失敗的信息，所以相對(duì)來說，UART 和 SPI 的時(shí)序都要比 I2C 簡(jiǎn)單一些。