飛凌干貨 | 一文了解SPI總線工作原理
ＳＰＩ是什么
SPI（Serial Peripheral Interface），即串行外圍設(shè)備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在 EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。
SPI，是一種高速、全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。
ＳＰＩ的特點(diǎn)
0１、主-從模式(Master-Slave) 的控制方式
SPI 規(guī)定兩個(gè) SPI 設(shè)備之間通信必須由主設(shè)備 (Master) 來(lái)控制從設(shè)備 (Slave)。一個(gè) Master 設(shè)備可以通過(guò)提供 Clock 以及對(duì) Slave 設(shè)備進(jìn)行片選 (Slave Select) 來(lái)控制多個(gè) Slave 設(shè)備。
SPI 協(xié)議還規(guī)定 Slave 設(shè)備的 Clock 由 Master 設(shè)備通過(guò) SCK 管腳提供給 Slave 設(shè)備， Slave 設(shè)備本身不能產(chǎn)生或控制 Clock， 沒(méi)有 Clock 則 Slave 設(shè)備不能正常工作。
02、同步方式(Synchronous)傳輸數(shù)據(jù)
Master 設(shè)備會(huì)根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖(Clock Pulse)，時(shí)鐘脈沖組成了時(shí)鐘信號(hào)(Clock Signal) ，時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)時(shí)鐘極性 (CPOL) 和時(shí)鐘相位 (CPHA) 控制著兩個(gè) SPI 設(shè)備間何時(shí)數(shù)據(jù)交換以及何時(shí)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，來(lái)保證數(shù)據(jù)在兩個(gè)設(shè)備之間是同步傳輸?shù)摹?/span>
03、數(shù)據(jù)交換(Data Exchanges)
SPI 設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸之所以又被稱為數(shù)據(jù)交換，是因?yàn)?SPI 協(xié)議規(guī)定一個(gè) SPI 設(shè)備不能在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中僅僅只充當(dāng)一個(gè) "發(fā)送者(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)"。在每個(gè) Clock 周期內(nèi)，SPI 設(shè)備都會(huì)發(fā)送并接收一個(gè) bit 大小的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于該設(shè)備有一個(gè) bit 大小的數(shù)據(jù)被交換了。
1個(gè) Slave 設(shè)備要想能夠接收到 Master 發(fā)過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，必須在此之前能夠被 Master 設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn) (Access)，所以 Master 設(shè)備必須先通過(guò) SS/CS pin 對(duì) Slave 設(shè)備進(jìn)行片選，把想要訪問(wèn)的 Slave 設(shè)備選上。
在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，每次接收到的數(shù)據(jù)必須在下一次數(shù)據(jù)傳輸之前被采樣。如果之前接收到的數(shù)據(jù)沒(méi)有被讀取，那么這些已經(jīng)接收完成的數(shù)據(jù)將有可能會(huì)被丟棄，導(dǎo)致 SPI 物理模塊最終失效。
因此，在程序中一般都會(huì)在 SPI 傳輸完數(shù)據(jù)后，去讀取 SPI 設(shè)備里的數(shù)據(jù)，即使這些數(shù)據(jù)(Dummy Data)在我們的程序里是無(wú)用的。
04、四種傳輸模式
§ CPOL用來(lái)決定SCLK空閑時(shí)的電平：
CPOL＝0，空閑時(shí)為低電平；
CPOL＝1，空閑時(shí)為高電平。
§ CPHA用來(lái)決定采樣時(shí)刻：
CPHA＝0，每個(gè)周期的第一個(gè)時(shí)鐘沿采樣；
CPHA＝1，每個(gè)周期的第二個(gè)時(shí)鐘沿采樣。
05、只有主模式和從模式之分
沒(méi)有讀和寫(xiě)的說(shuō)法，因?yàn)閷?shí)質(zhì)上每次SPI是主從設(shè)備在交換數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，你發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)必然會(huì)收到一個(gè)數(shù)據(jù)；你要收一個(gè)數(shù)據(jù)必須也要先發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)。
06、SPI極性和相位的設(shè)置
SPI分主設(shè)備和從設(shè)備，兩者通過(guò)SPI協(xié)議通訊。而設(shè)置SPI的模式，是從設(shè)備的模式，決定了主設(shè)備的模式。所以要先去搞懂從設(shè)備SPI是何種模式，然后再將主設(shè)備SPI的模式設(shè)置成和從設(shè)備相同的模式，即可正常通訊。
兩種從設(shè)備SPI的模式：
（1）固定的，由SPI從設(shè)備硬件決定
SPI從設(shè)備，具體是什么模式，相關(guān)的datasheet中會(huì)有描述，需要自己去datasheet中找到相關(guān)的描述。
關(guān)于SPI從設(shè)備在空閑的時(shí)候，是高電平還是低電平，決定了CPOL是0還是1；然后再確定設(shè)備是在上升沿采樣數(shù)據(jù)還是下降沿采樣數(shù)據(jù)，這樣就可以在定了CPOL值的前提下，對(duì)應(yīng)著推算出CPHA是0還是1了。
（2）可配置的，由軟件自己設(shè)定
從設(shè)備也是一個(gè)SPI控制器，4種模式都支持，此時(shí)只要自己設(shè)置為某種模式即可。知道了從設(shè)備的模式后，再去將SPI主設(shè)備的模式設(shè)置為和從設(shè)備模式一樣的即可。
對(duì)于如何配置SPI的CPOL和CPHA，這里不多細(xì)說(shuō)，多數(shù)都是直接去寫(xiě)對(duì)應(yīng)的SPI控制器中對(duì)應(yīng)寄存器中的CPOL和CPHA那兩位，寫(xiě)0或?qū)?即可。
ＳＰＩ示例
對(duì)于我們的FIT_CAN_II_2515模塊來(lái)說(shuō)，其主芯片使用的是MCP2515。根據(jù)芯片手冊(cè)，該芯片可以工作在SPI的MODE 0和MODE 3模式：
但芯片硬件并沒(méi)有相應(yīng)的配置引腳：
在咨詢軟件工程師后，確定是軟件設(shè)置為MODE 0：
關(guān)于SPI總線工作原理先介紹到這里，希望能幫助到你，后續(xù)會(huì)分享更多有關(guān)SPI的干貨，敬請(qǐng)關(guān)注我們【飛凌嵌入式】公眾號(hào)。
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