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串行通信協(xié)議第 5 部分 - SPI
串行通信協(xié)議第 5 部分 - SPI
我們將研究不同類型的串行通信協(xié)議，我們將研究流行的 SPI 協(xié)議。這是我們將要研究的許多常用的流行協(xié)議之一。我們將在本系列的結(jié)尾對(duì)每種類型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行有用的總結(jié)。
SPI 代表串行外設(shè)接口。它是一種串行通信總線，常用于微控制器和小型外圍設(shè)備之間的短距離通信，例如射頻模塊、移位寄存器、外部閃存IC以及各種傳感器和SD卡。它是同步的，這意味著它有一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘線。
SPI 協(xié)議是由摩托羅拉開發(fā)的，盡管它被用于其他制造商生產(chǎn)的大量不同 IC、模塊和設(shè)備中。
SPI 協(xié)議允許全雙工通信，這意味著連接到總線的設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
SPI 通信協(xié)議除接地外還包括四條線，它們是：
SCLK - 串行時(shí)鐘（主機(jī)輸出）
MOSI - Master Out Slave In（數(shù)據(jù)從主機(jī)輸出）
MISO - Master In Slave Out（從機(jī)輸出數(shù)據(jù)）
SS 或 CS - 從機(jī)選擇或片選（通常為低電平有效信號(hào)，由主機(jī)輸出）
根據(jù)數(shù)據(jù)表的來(lái)源，SPI 引腳可以標(biāo)有不同的名稱，因此在開始設(shè)計(jì)之前仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)表至關(guān)重要。
兩個(gè)設(shè)備之間的 SPI 接線
SPI架構(gòu)通常由一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)主設(shè)備通信的從設(shè)備組成，這意味著一組數(shù)據(jù)線可以連接到多個(gè)從設(shè)備。但是，從選擇與 I2C 完全不同。可在 SPI 通信網(wǎng)絡(luò)中使用的從設(shè)備數(shù)量受可用的 SS（從設(shè)備選擇）或 CS（芯片選擇）引腳數(shù)量限制。
具有多個(gè) SS 引腳的 SPI 多設(shè)備連接
使用 SPI 協(xié)議的一些典型應(yīng)用包括：
溫度和壓力傳感器
ADC、DAC、音頻編解碼器、數(shù)字電位器
觸摸屏、視頻游戲控制器
相機(jī)鏡頭控制
外部閃存和 EEPROM IC
RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）
液晶顯示器
MMC 或 SD 卡
我們將首先研究主站和從站之間的通信。總線主設(shè)備應(yīng)配置 SPI 通信時(shí)鐘設(shè)置以使用從設(shè)備支持的頻率（通常高達(dá)幾 MHz）。
然后，主機(jī)通過(guò)將適當(dāng)?shù)膹臋C(jī)選擇引腳拉低來(lái)選擇它想要與哪個(gè)從機(jī)通信，這會(huì)導(dǎo)致該從機(jī)開始偵聽。將選擇引腳拉高的其他從設(shè)備將忽略這些命令。
通信原理是主設(shè)備通過(guò)MOSI線向監(jiān)聽從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。從機(jī)可以讀取這些數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò) MISO 線將數(shù)據(jù)返回給主機(jī)，主機(jī)可以在那里讀取它。這就是全雙工數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健?span>
通常，這種通信涉及使用 8 位大小的寄存器，第一位是 MSB（最高位）。主機(jī)和從機(jī)都通過(guò)寄存器向前移動(dòng)一位，并在時(shí)鐘邊沿輸出最后一位。
主從通信及寄存器示例
當(dāng)傳輸完成時(shí)，主設(shè)備通過(guò)拉高相應(yīng)的從選擇引腳來(lái)取消選擇從。
盡管 SPI 數(shù)據(jù)傳輸通常包含 8 位消息傳遞，但其他字長(zhǎng)（例如 16 位）也常用于音頻編解碼器的觸摸屏控制器等應(yīng)用。
在使用時(shí)鐘速度以外的機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸期間，可以使用備用設(shè)置，例如時(shí)鐘極性（哪個(gè)邏輯電平代表空閑狀態(tài)）和相位（在哪個(gè)時(shí)鐘沿，上升或下降，數(shù)據(jù)線被采樣）。
有四種不同的 SPI 模式：
|
SPI模式 |
警察 |
CPHA |
時(shí)鐘極性（空閑狀態(tài)） |
時(shí)鐘相位 |
|
0 |
0 |
0 |
邏輯低 |
上升沿采樣數(shù)據(jù)，下降沿輸出 |
|
1 |
0 |
1 |
低 |
數(shù)據(jù)下降沿采樣，上升沿輸出 |
|
2 |
1 |
1 |
邏輯高 |
下降沿采樣數(shù)據(jù)，上升沿輸出 |
|
3 |
1 |
0 |
邏輯高 |
數(shù)據(jù)在上升沿采樣并在下降沿輸出 |
下圖顯示了這些不同模式下 SPI 線的時(shí)序圖：
SPI 模式 0：CPOL = 0，CPHA = 0，CLK 空閑狀態(tài) = 低，數(shù)據(jù)在上升沿采樣并在下降沿移位
SPI 模式 1：CPOL = 0，CPHA = 1，CLK 空閑狀態(tài) = 低，數(shù)據(jù)在下降沿采樣并在上升沿移位
SPI 模式 2：CPOL = 1，CPHA = 1，CLK 空閑狀態(tài) = 高，數(shù)據(jù)在下降沿采樣并在上升沿移位
SPI 模式 3：CPOL = 1，CPHA = 0，CLK 空閑狀態(tài) = 低，數(shù)據(jù)在上升沿采樣并在下降沿移位
SPI 協(xié)議流行的原因之一是接收硬件可以非常簡(jiǎn)單。它可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是一種比實(shí)現(xiàn) I2C 所需的更簡(jiǎn)單、更便宜的解決方案。
由于SPI總線速度較高，傳輸距離應(yīng)保持很低（不超過(guò)幾米）。但是，可以通過(guò)降低時(shí)鐘速度或使用專門的 SPI 驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)增加最大總線長(zhǎng)度。
擴(kuò)展范圍的另一種解決方案是使用數(shù)據(jù)鏈路 IC 作為中間階段：
使用數(shù)據(jù)鏈路 IC 的 SPI 總線擴(kuò)展
例如，您可以通過(guò)使用 RS-422 數(shù)據(jù)鏈路作為中間階段來(lái)擴(kuò)展 SPI 通信距離。
使用SPI協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：
比I2C快得多
接收硬件很簡(jiǎn)單（簡(jiǎn)單的移位寄存器）
可以支持多個(gè)slave
使用SPI協(xié)議的缺點(diǎn)：
需要更多的信號(hào)線
通信必須明確定義，因?yàn)榇蠖鄶?shù)從設(shè)備使用自己的協(xié)議
主站必須控制通信（沒(méi)有主站的命令，從站不能相互交談）
每個(gè)從設(shè)備通常需要單獨(dú)的 SS 或 CS 線