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)時時鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。
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，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來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 SPI 設(shè)備之間通信必須由主設(shè)備 (Master) 來控制從設(shè)備 (Slave)。一個 Master 設(shè)備可以通過提供 Clock 以及對 Slave 設(shè)備進(jìn)行片選 (Slave Select) 來控制多個 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 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)備會根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘脈沖(Clock Pulse)，時鐘脈沖組成了時鐘信號(Clock Signal) ，時鐘信號通過時鐘極性 (CPOL) 和時鐘相位 (CPHA) 控制著兩個 SPI 設(shè)備間何時數(shù)據(jù)交換以及何時對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，來保證數(shù)據(jù)在兩個設(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 SPI 設(shè)備不能在數(shù)據(jù)通信過程中僅僅只充當(dāng)一個 "發(fā)送者(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)"。在每個 Clock 周期內(nèi)，SPI 設(shè)備都會發(fā)送并接收一個 bit 大小的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于該設(shè)備有一個 bit 大小的數(shù)據(jù)被交換了。
1個 Slave 設(shè)備要想能夠接收到 Master 發(fā)過來的控制信號，必須在此之前能夠被 Master 設(shè)備進(jìn)行訪問 (Access)，所以 Master 設(shè)備必須先通過 SS/CS pin 對 Slave 設(shè)備進(jìn)行片選，把想要訪問的 Slave 設(shè)備選上。
在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^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用的。
04、四種傳輸模式
§ CPOL用來決定SCLK空閑時的電平：
CPOL＝0，空閑時為低電平；
CPOL＝1，空閑時為高電平。
§ CPHA用來決定采樣時刻：
CPHA＝0，每個周期的第一個時鐘沿采樣；
CPHA＝1，每個周期的第二個時鐘沿采樣。
05、只有主模式和從模式之分
沒有讀和寫的說法，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，你發(fā)一個數(shù)據(jù)必然會收到一個數(shù)據(jù)；你要收一個數(shù)據(jù)必須也要先發(fā)一個數(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SPI控制器，4種模式都支持，此時只要自己設(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。
對于如何配置SPI的CPOL和CPHA，這里不多細(xì)說，多數(shù)都是直接去寫對應(yīng)的SPI控制器中對應(yīng)寄存器中的CPOL和CPHA那兩位，寫0或?qū)?即可。
ＳＰＩ示例
對于我們的FIT_CAN_II_2515模塊來說，其主芯片使用的是MCP2515。根據(jù)芯片手冊，該芯片可以工作在SPI的MODE 0和MODE 3模式：
但芯片硬件并沒有相應(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)會分享更多有關(guān)SPI的干貨，敬請關(guān)注我們【飛凌嵌入式】公眾號。
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