SPI時序分析和基礎(chǔ)知識總結(jié)

1、SPI時序分析和基礎(chǔ)知識總結(jié)時序分析和基礎(chǔ)知識總結(jié)一、一、SPI總線的歷史總線的歷史二、二、SPI總線接口定義總線接口定義三、三、SPI總線的工作方式和傳輸時序總線的工作方式和傳輸時序四、四、SPI與與I2C的異同點的異同點五、五、SPI總線的優(yōu)缺點總線的優(yōu)缺點八、關(guān)于八、關(guān)于QSPI六、六、SPI總線的設(shè)置總線的設(shè)置七、七、SPI與與SD卡信號卡信號 SPI ( Serial Peripheral Interface )串行外設(shè)接口總線，最早由Motorola提出，出現(xiàn)在其M68系列單片機中，由于其簡單實用，又不牽涉到專利問題，因此許多廠家的設(shè)備都支持該接口，廣泛應(yīng)用于外設(shè)控制領(lǐng)域。 SPI

2、接口是一種事實標準，并沒有標準協(xié)議，大部分廠家都是參照Motorola的SPI接口定義來設(shè)計的。但正因為沒有確切的版本協(xié)議，不同家產(chǎn)品的SPI接口在技術(shù)上存在一定的差別，容易引起歧義，有的甚至無法直接互連（需要軟件進行必要的修改）。 SPI接口經(jīng)常被稱為4線串行總線，以主/從方式工作，數(shù)據(jù)傳輸過程由主機初始化。如圖1所示，其使用的4條信號線分別為： 1) SCLK：串行時鐘，用來同步數(shù)據(jù)傳輸，由主機輸出； 2) MOSI：When master, out line; when slave, in line。主機輸出從機輸入數(shù)據(jù)線； 3) MISO：When master, in line; w

3、hen slave, out line。主機輸入從機輸出數(shù)據(jù)線； 比如MOSI，該線上數(shù)據(jù)一定是Master流向Slave的。因此在電路板上，Master的MOSI引腳應(yīng)與Slave的MOSI引腳連接在一起。雙方的MISO也應(yīng)該連在一起，而不是一方的MOSI連接另一方的MISO。 Motorola的經(jīng)典命名是MOSI和MISO，這是站在信號線的角度來命名的。 不過，也有一些產(chǎn)家（比如Microchip）是按照類似SDI,SDO的方式來命名，這是站在器件的角度根據(jù)數(shù)據(jù)流向來定義的。 SDI：串行數(shù)據(jù)輸入 SDO：串行數(shù)據(jù)輸出 在這種情況下，當Master與Slave連接時，就應(yīng)該用一方的SDO連

4、接另一個方的SDI。 4) SS：Slave Select, 片選線，用于選擇激活某Slave設(shè)備，低有效，由Master驅(qū)動輸出。只有當SS-信號線為低電平時，對應(yīng)Slave設(shè)備的SPI接口才處于工作狀態(tài)。 SPI接口采用主從模式（Master Slave）架構(gòu)；支持多slave模式應(yīng)用，一般僅支持單Master。主機通過片選線來確定要通信的從機。這就要求從機的MISO口具有三態(tài)特性，使得該口線在器件未被選通時表現(xiàn)為高阻抗。 SPI的時鐘由Master控制，在時鐘移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根單向數(shù)據(jù)線，為全雙工通信，目前應(yīng)用中的數(shù)據(jù)速率

5、可達幾Mbps的水平。 SPI也支持多Slave應(yīng)用。多個Slave共享時鐘線、數(shù)據(jù)線，可以直接并接在一起；而各Slave的片選線SS則單獨與Master連接，受Master控制。在一段時間內(nèi)，Master只能通過某根SS線激活一個Slave，進行數(shù)據(jù)傳輸，而此時其他Slave的時鐘線和數(shù)據(jù)線端口則都應(yīng)保持高阻狀態(tài)，以免影響當前數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M行。一主多從的SPI傳輸模式SPI總線添加從器件：每個器件需要一個單獨的從選擇信號。總信號數(shù)最終為總線添加從器件：每個器件需要一個單獨的從選擇信號?？傂盘枖?shù)最終為 n+3 個，其中個，其中 n 是總線上從器件的數(shù)量。在是總線上從器件的數(shù)量。在 SPI 總線上

6、添加新的從器件也不方便?？偩€上添加新的從器件也不方便。對于額外添加的每個從器件，都需要一條新的從器件選擇線。對于額外添加的每個從器件，都需要一條新的從器件選擇線。 SPI接口在內(nèi)部硬件實際上是兩個簡單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。如下圖所示，在SCLK的下降沿上數(shù)據(jù)改變，上升沿一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。 在SPI操作中，最重要的兩項設(shè)置就是時鐘極性（CPOL或UCCKPL）和時鐘相位（CPHA或UCCKPH）。時鐘極性設(shè)置時鐘空閑時的電平，時鐘相位設(shè)置讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘沿。 主機和從機的發(fā)送數(shù)據(jù)是同時完成的，兩者的

7、接收數(shù)據(jù)也是同時完成的。所以為了保證主從機正確通信，應(yīng)使得它們的SPI具有相同的時鐘極性和時鐘相位。SPI總線有四種工作方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實線表示)； 在主設(shè)備這邊配置SPI接口時鐘的時候一定要弄清楚從設(shè)備的時鐘要求，因為主設(shè)備這邊的時鐘極性和相位都是以從設(shè)備為基準的 。四種工作方式時序分別為：時序詳解時序詳解： CPOL：時鐘極性選擇，為0時SPI總線空閑為低電平，為1時SPI總線空閑為高電平 CPHA：時鐘相位選擇，為0時在SCK第一個跳變沿采樣，為1時在SCK第二個跳變沿采樣工作方式工作方式1： 當CPHA=0、CPOL=0時SPI總線工作在方式1。MI

8、SO引腳上的數(shù)據(jù)在第一個SPSCK沿跳變之前已經(jīng)上線了，而為了保證正確傳輸，MOSI引腳的MSB位必須與SPSCK的第一個邊沿同步，在SPI傳輸過程中，首先將數(shù)據(jù)上線，然后在同步時鐘信號的上升沿時，SPI的接收方捕捉位信號，在時鐘信號的一個周期結(jié)束時(下降沿)，下一位數(shù)據(jù)信號上線，再重復上述過程，直到一個字節(jié)的8位信號傳輸結(jié)束。工作方式工作方式2： 當CPHA=0、CPOL=1時SPI總線工作在方式2。與前者唯一不同之處只是在同步時鐘信號的下降沿時捕捉位信號，上升沿時下一位數(shù)據(jù)上線。工作方式工作方式3： 當CPHA=1、CPOL=0時SPI總線工作在方式3。MISO引腳和MOSI引腳上的數(shù)據(jù)的

9、MSB位必須與SPSCK的第一個邊沿同步，在SPI傳輸過程中，在同步時鐘信號周期開始時(上升沿)數(shù)據(jù)上線，然后在同步時鐘信號的下降沿時，SPI的接收方捕捉位信號，在時鐘信號的一個周期結(jié)束時(上升沿)，下一位數(shù)據(jù)信號上線，再重復上述過程，直到一個字節(jié)的8位信號傳輸結(jié)束。工作方式工作方式4： 當CPHA=1、CPOL=1時SPI總線工作在方式4。與前者唯一不同之處只是在同步時鐘信號的上升沿時捕捉位信號，下降沿時下一位數(shù)據(jù)上線。 在一個SPI時鐘周期內(nèi)，會完成如下操作：1) 主機通過MOSI線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，從機通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)；2) 從機通過MISO線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，主機通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)。

10、這是通過移位寄存器來實現(xiàn)的。如下圖所示，主機和從機各有一個移位寄存器，且二者連接成環(huán)。隨著時鐘脈沖，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后（MSB first），依次移出主機寄存器和從機寄存器，并且依次移入從機寄存器和主機寄存器。當寄存器中的內(nèi)容全部移出時，相當于完成了兩個寄存器內(nèi)容的交換。 如果只是進行寫操作，主機只需忽略收到的字節(jié)；反過來，如果主機要讀取如果只是進行寫操作，主機只需忽略收到的字節(jié)；反過來，如果主機要讀取外設(shè)的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸外設(shè)的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。另外：另外： SPI協(xié)議沒有定義尋址機制，需通過外部SS信號線選擇設(shè)備，當

11、出現(xiàn)多slave應(yīng)用時，需要多根SS信號線，實施起來較I2C要復雜。此外，SPI總線不支持總線控制權(quán)仲裁，故只能用在單Master的場合；而I2C可以支持多Master的應(yīng)用。 SPI 協(xié)議相對I2C要簡單，沒有握手機制，數(shù)據(jù)傳輸效率高，速率也更快，通常應(yīng)用中可達幾Mbps；此外SPI是全雙工通信，可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此， SPI比較適合用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊稀１热缧枰^大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希ū热鏜MC/SD卡的數(shù)據(jù)傳輸就支持SPI模式），或者無需尋址傳輸?shù)膱龊稀?而I2C協(xié)議功能較豐富，但也相對復雜，多用在傳輸一些控制命令字等有意義數(shù)據(jù)的場合。 SPI接口屬于一種非?；镜耐庠O(shè)接口，但是應(yīng)用

12、卻很廣泛。SPI也有所發(fā)展，比兔NS推出的SPI的精簡接口Microwire，滿足通常外設(shè)的擴展需求。Motorola還推出了擴展功能的QSPI（Queued SPI）接口，應(yīng)用更為廣泛。SPI接口具有如下優(yōu)點： 1) 支持全雙工操作； 2) 操作簡單； 3) 數(shù)據(jù)傳輸速率較高； 4) 提供頻率可編程時鐘 同時，它也具有如下缺點： 1) 需要占用主機較多的口線（每個從機都需要一根片選線）； 2) 只支持單個主機。 3) 沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機制確認是否接收到數(shù)據(jù)。 除了時鐘相位CPHA和時鐘極性CPOL外，在SPI總線進行通信時，還有其他需要設(shè)置的參數(shù)，如SPR-狀態(tài)控制寄存器。 在從器

13、件時鐘頻率小于主器件時鐘頻率時，如果SCK的速率設(shè)得太快，將導致接收到的數(shù)據(jù)不正確（SPI接口本身難以判斷收到的數(shù)據(jù)是否正確，要在軟件中處理）。整個系統(tǒng)的速度受三個因素影響：主器件時鐘CLK主、從器件時鐘CLK從和同步串行時鐘SCK，其中SCK是對CLK主的分頻， CLK從和CLK主是異步的。要使SCK無差錯無遺漏地被從器件所檢測到，從器件的時鐘CLK從必須要足夠快。下面以SCK設(shè)置為CLK主的4分頻的波形為例，分析同步串行時鐘、主時鐘和從時鐘之間的關(guān)系。圖1主從時鐘和SCK的關(guān)系 如圖1所示，當T從Tsck/2，即T從2T主時，無論主時鐘和從時鐘之間的相位關(guān)系如何，在從器件CLK從的上升沿必

14、然能夠檢測到SCK的低電平，即SCK0的范圍內(nèi)至少包含一個CLK從的上升沿。 圖2中，當T從TSCK/22T主時，在從時鐘的兩個上升沿都檢測不到SCK的低電平,這樣從器件就會漏掉一個SCK。在某些相位條件下，即使CLK從僥幸能檢測到SCK的低電平，也不能保證可以繼續(xù)檢測到下一個SCK。只要遺漏了一個SCK，就相當于串行數(shù)據(jù)漏掉了一個位，后面繼續(xù)接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)就都是錯誤的了。圖2主從時鐘和SCK的關(guān)系 根據(jù)以上的分析，SPR和主從時鐘比的關(guān)系如表1所列。 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前按照表1對SPR進行設(shè)置，SPR設(shè)定錯誤可以完全避免。表1 SPR的設(shè)置和主從時鐘周期比值之間的關(guān)系 在SPI協(xié)議的基礎(chǔ)上，M

15、otorola公司對其功能進行了增強，增加了隊列傳輸機制，推出了QSPI，就是通常所謂的 Queue Serial peripheral interface ，隊列串行外設(shè)接口。是對Motorola公司推出的SPI接口的擴展，比SPI應(yīng)用更加廣泛。 由于SPl只有1個8位的發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，所以CPU每次最多只能準備一個字節(jié)的待發(fā)送數(shù)據(jù)。而QSPI擁有具有16個QSPI傳輸控制組的傳輸隊列，所以CPU每次最多可以準備16個待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且可以通過命令RAM設(shè)置每個待傳輸數(shù)據(jù)的長度。 與SPI相比，QSPI結(jié)構(gòu)最大的特點是以80字節(jié)的RAM取代了SPI的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)寄存器。80字節(jié)的RAM分成

16、3部分：16字的發(fā)送RAM，16字的接收RAM和16字節(jié)的命令RAM。這3部分形成了具有16個QSPI傳輸控制組的傳輸隊列，每個QSPI傳輸控制組由1個命令RAM、1個發(fā)送RAM和1個接收RAM組成。每個QSPI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度、片選等信息可由該QSPI傳輸控制組的命令RAM單獨決定。在QSPI模塊的QWR寄存器中，NEWQP和ENDQP域分別決定了傳輸隊列的起始點和結(jié)束點。起始點和結(jié)束點可以是16個QSPI傳輸控制組的任意一個。當QSPI傳輸啟動時，QSPI模塊將從起始點開始依次發(fā)送準備好的數(shù)據(jù)直到結(jié)束點，整個過程無需CPU干預。典型的QSPI傳輸流程如圖2所示，其中QP為傳輸隊列指針，指向即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 QSPI模塊具有7個引腳：QSPI_DIN為串行數(shù)據(jù)輸入引腳;QSPI_DOU