SPI时序图详解

SPI总线协议及SPI时序图详解SPI是英语SerialPeripheralInterface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。SPI是一个环形总线结构，由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。上升沿到来的时候，sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。下降沿到来的时候，sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa(10101010)，从机的sbuff=0x55(01010101)，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍(假设上升沿发送数据)。---------------------------------------------------脉冲主机sbuff从机sbuffsdisdo---------------------------------------------------000-0101010100101010100---------------------------------------------------10--10101010x101010110111--0010101001010101101---------------------------------------------------20--11010100x010101101021--0101010010101011010---------------------------------------------------30--10101001x101011010131--0010100101010110101---------------------------------------------------40--11010010x010110101041--0101001010101101010---------------------------------------------------50--10100101x101101010151--0010010101011010101---------------------------------------------------60--11001010x011010101061--0100101010110101010---------------------------------------------------70--10010101x110101010171--0001010101101010101---------------------------------------------------80--10101010x101010101081--0010101011010101010---------------------------------------------------这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的0--1表示上升沿、1--0表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节。因为主机首先要发送命令给从机，然后从机根据主机的指令准备数据，所以主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。SPI总线有四种工作方式(SP0,SP1,SP2,SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI时序图详解-SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻SPI接口有四种不同的数据传输时序，取决于CPOL和CPHL这两位的组合。图1中表现了这四种时序，时序与CPOL、CPHL的关系也可以从图中看出。图1CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL＝0，空闲电平为低电平，CPOL＝1时，空闲电平为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，CPHA＝1，在每个周期的第二个时钟沿采样。由于我使用的器件工作在模式0这种时序（CPOL＝0，CPHA＝0），所以将图1简化为图2，只关注模式0的时序。图2我们来关注SCK的第一个时钟周期，在时钟的前沿（上升沿，第一个时钟沿）采样数据，在时钟的后沿（下降沿，第二个时钟沿）输出数据。首先来看主器件，主器件的输出口（MOSI）输出的数据bit1，在时钟的前沿被从器件采样，那主器件是在何时刻输出bit1的呢？bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前，比SCK的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件，主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的，那从器件又是在何时刻输出bit1的呢？从器件是在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有起效。关于上面的主器件和从器件输出bit1位的时刻，可以从图3、4中得到验证。图3注意图3中，CS信号有效后（低电平有效，注意CS下降沿后发生的情况），故意用延时程序延时了一段时间，之后再向数据寄存器写入了要发送的数据，来观察主器件输出bit1的情况（MOSI）。可以看出，bit1（值为1）是在SCK信号有效之前的半个时钟周期的时刻开始输出的（与CS信号无关），到了SCK的第一个时钟周期的上升沿正好被从器件采样。图4图4中，注意看CS和MISO信号。我们可以看出，CS信号有效后，从器件立刻输出了bit1（值为1）。通常我们进行的SPI操作都是16位的。图5记录了第一个字节和第二个字节间的相互衔接的过程。第一个字节的最后一位在SCK的上升沿被采样，随后的SCK下降沿，从器件就输出了第二个字节的第一位。图5SPI总线协议介绍（接口定义,传输时序）一、技术性能SPI接口是Motorola首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（MasterSlave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSBfirst）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。-------------------------------------------------------二、接口定义SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。（1）MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入（2）MISO：主器件数据输入，从器件数据输出（3）SCLK：时钟信号，由主器件产生（4）/SS：从器件使能信号，由主器件控制-------------------------------------------------------三、内部结构-------------------------------------------------------四、传输时序SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。如下图所示，在SCLK的下降沿上数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器。SPI接口没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。SPI接口时钟配置在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求，因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据，是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。但要注意的是，由于主设备的SDO连接从设备的SDI，从设备的SDO连接主设备的SDI，从设备SDI接收的数据是主设备的SDO发送过来的，主设备SDI接收的数据是从设备SDO发送过来的，所以主设备这边SPI时钟极性的配置（即SDO的配置）跟从设备的SDI接收数据的极性是相反的，跟从设备SDO发送数据的极性是相同的。下面这段话是SychipWlan8100ModuleSpec上说的，充分说明了时钟极性是如何配置的：The81xxmodulewillalwaysinputdatabitsattherisingedgeoftheclock,andthehostwillalwaysoutputdatabitsonthefallingedgeoftheclock.意思是：主设备在时钟的下降沿发送数据，从设备在时钟的上升沿接收数据。因此主设备这边SPI时钟极性应该配置为下降沿有效。又如，下面这段话是摘自LCDDriverICSSD1289：SDIisshiftedinto8-bitshiftregisteroneveryrisingedgeofSCKintheorderofdatabit7,databit6……databit0.意思是：从设备SSD1289在时钟的上升沿接收数据，而且是按照从高位到低位的顺序接收数据的。因此主设备的SPI时钟极性同样应该配置为下降沿有效。时钟极性和相位配置正确后，数据才能够被准确的发送和接收。因此应该对照从设备的SPI接口时序或者Spec文档说明来正确配置主设备的时钟。SPI，是英语SerialPeripheralinterface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如P89LPC900.SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，其工作模式有两种：主模式和从模式，无论那种模式，都支持3Mbit/s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。到目前为止，我使用过的具有SPI总线的器件，就是存储芯片Eprom：at25128，在使用过程中，发现的确是有这种总线的优点。下面以P89LPC900单片机的SPI总线来解释SPI总线的通用使用规则。LPC900单片机的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及/SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。今以互为主从模式作为讲解：要进行SPI互为主从操作，必须遵照以下步骤：1.对A、B进行初始化，均设为主机（需要进行以下操作）。a)SPI端口初始化为准双向。b)SPCTL配置为