SPI接口协议

SPI接口协议

????????SPI(Serial Peripheral Interface)是由Motorola公司定义的接口协议标准，串行外设接口(SPI)是微控制器和外围IC（如传感器、 ADC、 DAC、移位寄存器、 SRAM等）之间使用最广泛的接口之一。SPI是一种同步、全双工、主从式接口，来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步，主机和从机可以同时传输数据， SPI接口可以是3线式或4线式。

一、SPI接口协议简介

????????串行外设接口 (SPI) 总线是一个工作在全双工模式下的同步串行数据链路。它可用于在单个主控制器和一个或多个从设备之间交换数据。其简单的实施方案只使用四条支持数据与控制的信号线。

????????1、接口定义：

????????4线SPI接口信号：

????????虽然SPI接口协议标准已经是事实上的标准，但它并非官方法律上的标准，因此不同的厂家的集成电路SPI端口名称经常不同，但通常含义相同：

????????（1）时钟(CLK, SCLK，SCK，and so on...)

????????（2）片选(CS，SS，NSS，and so on...)

????????（3）主机输出、从机输入(MOSI，DO，and so on...)

????????（4）主机输入、从机输出(MISO，DI，and so on...)

图 1 基本的四线SPI总线接口

????????产生时钟信号的器件称为主机，主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同I2C接口相比， SPI器件支持更高的时钟频率。用户可以查阅产品数据手册以了解SPI接口的时钟频率规格。SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。图1显示了主机和从机之间的SPI连接。

????????来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号，也有部分厂家器件的SPI接口片选信号支持高电平有效，用户需根据产品数据手册使用。

????????MOSI和MISO是数据线， MOSI将数据从主机发送到从机， MISO将数据从从机发送到主机。如AD5683RBRMZ-3，此类器件的SPI接口SDI/SDO仅支持输入/输出，均为单向接口。也有部分器件的4线SPI接口中MISO（SDI）输入接口可以配置为双向接口（SDIO），针对此类器件可以通过配置器件相关寄存器使用4线通信，也可以根据需要配置为3线通信。

????????3线SPI接口信号：

????????有时候主从器件在信号传输时只需要三根线，例如：

????????（1）从机器件SPI接口有3个信号线：部分DAC器件可能没有必要回读数据或者仅需要对ADC发送数据，在这种场景下器件的SPI接口被定义为3线接口（此时器件仅支持三线SPI:SCLK/CS/MISO(SDI）,只有三根线），其中MISO（SDI）仅作为输入接口，如AD5683RBRMZ。

图2 从机三线SPI接口，SDI单向

????????（2）从机器件SPI接口有3个信号线：器件支持SPI读写，SPI物理接口由三根线组成（此时器件仅支持三线SPI:SCLK/CS/SDIO,只有三根线），其中SDIO作为输入/输出双向接口，可写可读，如AD9629BCPZ-40。

图3 从机三线SPI接口，SDIO双向

????????（3）从机器件SPI接口有4个信号线（SCLK/CS/MOSI/MISO，参考图1），但是器件可根据需要配置为四线或三线通信。一般情况下器件默认为4线通信，配置为四线通信时通过对相关寄存器特定bit位写入相关值实现，主机的MOSI和MISO分别接从机器件的MISO和MOSI，支持全双工双向通信；当配置为三线通信时，通过对相关寄存器特定bit位写入相关值实现三线通信，此时从机MOSI（SDO）为高阻态，MISO（SDI）配置为双向通信SDIO，通过从机SDIO写入数据时，接口时序和四线SPI接口时序相同，通过从机SDIO读出数据时，在写入要读的地址后，对应地址的数据，本应通过MOSI（SDO）输出，此时数据输出顺序移位到SDIO接口上输出。可参考AD9361/AD6676/AD9163等器件的手册。

图4 从机四线SPI接口，SDIO双向

????????2、数据传输：

????????SPI 数据速率一般在 1 到 70MHz 的范围内，字长原则上可以根据需要定义任意多bit的字长（例如7bit，9bit and so on...），但通常主从机SPI的字长为从 8 位及 12 位到这两个值的倍数，在使用时可根据数据手册中的参数灵活配置。

????????要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能CS信号选择从机。片选通常是低电平有效信号，因此，主机必须在该信号上发送逻辑0以选择从机。 SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。在SPI通信期间，数据的发送（串行移出到MOSI/SDO总线上）和接收（采样或读入总线(MISO/SDI)上的数据）同时进行，在串行时钟沿同步数据的移位和采样。 SPI接口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。

????????SPI通信包括四种不同的模式，模式取决于时钟极性CPOL（polarity）和启动数据传输时（CS拉低）的采样边沿，即相位CPHA（phase），根据配置时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）的不同，可实现时钟信号 180 度的相移以及半个时钟周期的数据延迟移位输出和采样。

????????时钟极性是指时钟线空闲时的状态，相位是指设备从数据线采样的时刻，组合如下：

图5 CPOL/CPHA不同组合表示含义

图6 CPOL/CPHA不同组合时的时钟采样边沿

????????SPI模式通过CPOL和CPHA决定：

图7 SPI不同模式说明

图8 SPI接口CPOL/CPHA对应的时序图

????????不同模式下，SPI数据传输时序图如下图所示：

????????（1）Mode 0： CPOL = 0，CPHA = 0，数据在CS有效时CLK的第一个时钟沿（上升沿）采样读取，在下降沿移位输出（变化）。

图9 SPI Mode 0时序图

????????（2）Mode 1： CPOL = 0，CPHA = 1，数据在CS有效时CLK的第二个时钟沿（下降沿）采样读取，在上升沿移位输出（变化）。

图10 SPI Mode 1时序图

????????（3）Mode 2： CPOL = 1，CPHA = 0，数据在CS有效时CLK的第一个时钟沿（下降沿）采样读取，在上升沿移位输出（变化）。

图11 SPI Mode 2时序图

????????（4）Mode 3： CPOL = 1，CPHA = 1，数据在CS有效时CLK的第二个时钟沿（上升沿）采样读取，在上升沿移位输出（变化）。

图12 SPI Mode 3时序图

????????上图（图9~图12时序图）中，在传输协议上，MSB为一帧数据bit中第一个采样时钟沿输出的bit，LSB为一帧数据bit中最后一个采样沿输出bit。在器件的实际配置使用时，SPI通信需根据器件的数据手册灵活配置，对相应的数据bit根据实际要求做相应的拼接或其他处理，然后通过SPI接口输入输出。

????????在SPI通信时，主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位，配置相同的模式。在时钟空闲状态期间（空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间），对寄存器中CPOL位设置时钟信号的极性，对CPHA位设置时钟相位，根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。如：配置主机和从机在时钟上升沿移位输出数据，在下降沿采样数据，主机MOSI在上升沿移位输出数据，将数据输出到MOSI线上，从机的MISO（和主机MOSI相连）在下降沿时采样数据（写入从机），从机MOSI（和主机MISO相连）在上升沿移位输出数据，主机MISO在下降沿采样数据（写入主机）。

二、SPI数据传输实现原理

????????SPI主从数据传输框图如图13所示。

????????（1）SSPSR 泛指 SPI 设备内部的移位寄存器(Shift Register)。它的作用是根据设置好的数据位宽(bit-width) 及SPI 时钟信号状态把数据移入或者移出 SSPBUF，每次移动的数据大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所决定。

????????Bus-Width 的作用是指定地址总线到 Master(主)设备之间数据传输的单位。例如, 我们想要往 Master(主)设备里面的 SSPBUF 写入 16 Byte 大小的数据：首先，给 Master(主)设备的配置寄存器设置 Bus-Width 为 Byte；然后往 Master 设备的 Tx-Data 移位寄存器在地址总线的入口写入数据，每次写入 1 Byte 大小的数据；写完 1 Byte 数据之后，Master 设备里面的 Tx-Data 移位寄存器会自动把从地址总线传来的1 Byte 数据移入 SSPBUF 里；上述动作一共需要重复执行 16 次。

????????Channel-Width 的作用是指定 Master(主)设备与 Slave(从)设备之间数据传输的单位。与 Bus-Width 相似，Master(主)设备内部的移位寄存器会依据 Channel-Width 自动地把数据从 Master-SSPBUF 里通过 Master-SDO 管脚搬运到 Slave(从)设备里的 Slave-SDI 引脚, Slave－SSPSR 再把每次接收的数据移入 Slave-SSPBUF里。通常情况下，Bus-Width 总是会大于或等于 Channel-Width，这样能保证不会出现因 Master 与 Slave 之间数据交换的频率比地址总线与 Master 之间的数据交换频率要快，导致 SSPBUF 里面存放的数据为无效数据这样的情况。

????????（2）SSPBUF：泛指 SPI 设备里面的内部缓冲区，一般在物理上是以 FIFO 的形式，保存传输过程中的临时数据。Master(主)与 Slave(从)之间交换的数据其实都是 SPI 内部移位寄存器从 SSPBUF 里面拷贝的。可以通过往 SSPBUF 对应的寄存器 (Tx-Data / Rx-Data register) 里读写数据，间接地操控 SPI 设备内部的 SSPBUF。

????????例如，在发送数据之前，应该先往 Master(主)的 Tx-Data 寄存器写入将要发送出去的数据，这些数据会被 Master-SSPSR 移位寄存器根据 Bus-Width 自动移入 Master-SSPBUF 里，然后这些数据又会被 Master-SSPSR 根据 Channel-Width 从 Master-SSPBUF 中移出, 通过 Master-SDO 管脚传给 Slave-SDI 管脚，Slave-SSPSR 则把从 Slave-SDI 接收到的数据移入 Slave-SSPBUF 里。与此同时，Slave-SSPBUF 里面的数据根据每次接收数据的大小(Channel-Width)，通过 Slave-SDO 发往 Master-SDI，Master-SSPSR 再把从 Master-SDI 接收的数据移入 Master-SSPBUF。在单次数据传输完成之后，用户程序可以通过从 Master 设备的 Rx-Data 寄存器读取 Master 设备数据交换得到的数据。

????????（3）Controller：泛指 SPI 设备里面的控制寄存器，可以通过配置它们来设置 SPI 总线的传输模式。通过时钟信号(Clock Signal)以及片选信号(Slave Select Signal)来控制 Slave(从)设备。Slave 设备会一直等待，直到接收到 Master 设备发过来的片选信号，然后根据时钟信号来工作。

????????Master(主)设备的片选操作必须由程序所实现，例如: 由程序把 SS/CS 管脚的时钟信号拉低电平，完成 SPI 设备数据通信的前期工作，当程序想让 SPI 设备结束数据通信时，再把 SS/CS 管脚上的时钟信号拉高电平。

图13 SPI主从数据传输框图

三、SPI多从机配置

????????多个从机可与单个SPI主机一起使用，从机可以采用常规模式连接或采用菊花链模式连接。

????????1、常规SPI模式：

????????在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能（拉低）片选信号， MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。从图xxx可以看出，随着从机数量的增加，来自主机的片选线的数量也增加，这会快速增加主机需要提供的输入和出数量，并限制可以使用的从机数量。该配置通常用于必须单独访问多个模数转换器 (ADC) 及数模转换器 (DAC) 的数据采集系统中。

图14 多从机SPI配置

????????2、菊花链模式：

????????在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，因为这种配置要求所有从设备同时启用，以确保数据不间断地流经该链路中的所有移位寄存器，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例，所需时钟周期参考器件数据手册查阅。典型应用是工业 I/O 模块中的级联多通道输入串行器与输出驱动器，但并非所有SPI器件都支持菊花链模式，使用时参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。

图15 多从机SPI菊花链配置

????????注：

????????TI的SPI接口是由TI公司定义的接口协议标准SSI/SSP，和SPI类似，但有部分差别，在使用时注意阅读数据手册，看接口协议是否和Motorola的SPI接口标准相同。

参考文献：

Motorola SPI Protocol:SPI-DirectC v2021.1 User Guide (microchip.com)

ADI：AN-1248，SPI Interface，AN-1248: SPI Interface | 亚德诺半导体 (analog.com)

ADI：introduction-to-spi-interface_cn.pdf（文档有错误），SPI接口简介 | 亚德诺半导体 (analog.com)

TI：数字接口（续）— SPI 总线 - 模拟 - 技术文章 - E2E? 设计支持 (ti.com)

SPI通信协议详解（spi总线） - 知乎 (zhihu.com)