SPI時序初步認(rèn)識
UART、I2C和SPI是單片機通信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，本文我們來學(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個引腳，常用于單片機和EEPROM、FLASH、實時時鐘、數(shù)字信號處理器等器件的通信。SPI通信原理比I2C要簡單，它主要是主從方式通信，這種模式通常只有一個主機和一個或者多個從機，標(biāo)準(zhǔn)的SPI是4根線，分別是SSEL(片選，也寫作SCS)、SCLK(時鐘，也寫作SCK)、MOSI(主機輸出從機輸入Master Output/Slave Input)和MISO(主機輸入從機輸出Master Input/Slave Output)。SSEL：從設(shè)備片選使能信號。如果從設(shè)備是低電平使能的話，當(dāng)拉低這個引腳后，從設(shè)備就會被選中，主機和這個被選中的從機進(jìn)行通信。
SCLK：時鐘信號，由主機產(chǎn)生，和I2C通信的SCL有點類似。
MOSI：主機給從機發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)的通道。
MISO：主機讀取從機的狀態(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。比如主機只給從機發(fā)送命令，從機不需要回復(fù)數(shù)據(jù)的時候，那MISO就可以不要；而在主機只讀取從機的數(shù)據(jù)，不需要給從機發(fā)送指令的時候，那MOSI可以不要；當(dāng)一個主機一個從機的時候，從機的片選有時可以固定為有效電平而一直處于使能狀態(tài)，那么SSEL可以不要；此時如果再加上主機只給從機發(fā)送數(shù)據(jù)，那么SSEL和MISO都可以不要；如果主機只讀取從機送來的數(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，實際使用也是有應(yīng)用的，但是當(dāng)我們提及SPI的時候，一般都是指標(biāo)準(zhǔn)SPI，都是指4根線的這種形式。
SPI通信的主機也是我們的單片機，在讀寫數(shù)據(jù)時序的過程中，有四種模式，要了解這四種模式，首先我們得學(xué)習(xí)一下2個名詞。
CPOL:Clock Polarity，就是時鐘的極性。
時鐘的極性是什么概念呢？通信的整個過程分為空閑時刻和通信時刻，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CPOL=1，如果空閑狀態(tài)SCLK是低電平，那么CPOL=0。
CPHA:Clock Phase，就是時鐘的相位。
主機和從機要交換數(shù)據(jù)，就牽涉到一個問題，即主機在什么時刻輸出數(shù)據(jù)到MOSI上而從機在什么時刻采樣這個數(shù)據(jù)，或者從機在什么時刻輸出數(shù)據(jù)到MISO上而主機什么時刻采樣這個數(shù)據(jù)。同步通信的一個特點就是所有數(shù)據(jù)的變化和采樣都是伴隨著時鐘沿進(jìn)行的，也就是說數(shù)據(jù)總是在時鐘的邊沿附近變化或被采樣。而一個時鐘周期必定包含了一個上升沿和一個下降沿，這是周期的定義所決定的，只是這兩個沿的先后并無規(guī)定。又因為數(shù)據(jù)從產(chǎn)生的時刻到它的穩(wěn)定是需要一定時間的，那么，如果主機在上升沿輸出數(shù)據(jù)到MOSI上，從機就只能在下降沿去采樣這個數(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數(shù)據(jù)。
CPHA=1，就表示數(shù)據(jù)的輸出是在一個時鐘周期的第一個沿上，至于這個沿是上升沿還是下降沿，這要是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沿上了。
CPHA=0，就表示數(shù)據(jù)的采樣是在一個時鐘周期的第一個沿上，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沿上了。仔細(xì)想一下，這里會有一個問題：就是當(dāng)一幀數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)谝籦it時，在第一個時鐘沿上就采樣該數(shù)據(jù)了，那么它是在什么時候輸出來的呢？有兩種情況：一是SSEL使能的邊沿，二是上一幀數(shù)據(jù)的最后一個時鐘沿，有時兩種情況還會同時生效。
我們以CPOL=1/CPHA=1為例，把時序圖畫出來給大家看一下，如圖1所示，。
1 SPI通信時序圖(1)
大家看圖15-1所示，當(dāng)數(shù)據(jù)未發(fā)送時以及發(fā)送完畢后，SCK都是高電平，因此CPOL=1？梢钥闯觯赟CK第一個沿的時候，MOSI和MISO會發(fā)生變化，同時SCK第二個沿的時候，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時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，一般情況下，這個引腳通常用來決定是哪個從機和主機進(jìn)行通信。剩余的三種模式，我把圖畫出來，簡化起見把MOSI和MISO合在一起了，大家仔細(xì)對照看看研究一下，把所有的理論過程都弄清楚，有利于你對SPI通信的深刻理解，如圖2所示。
2 SPI通信時序圖(2)
在時序上，SPI是不是比I2C要簡單的多？沒有了起始、停止和應(yīng)答，UART和SPI在通信的時候，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，所以相對來說，UART和SPI的時序都要比I2C簡單一些。
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-08
