了解這種基本的四線全雙工總線的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)

作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 高級(jí)應(yīng)用工程師

串行外設(shè)接口 (SPI) 總線是一種運(yùn)行于全雙工模式下的同步串行數(shù)據(jù)鏈路。用于在單個(gè)主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)。SPI 總線實(shí)施簡(jiǎn)單，僅使用四條數(shù)據(jù)信號(hào)線和控制信號(hào)線（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）。

圖 1 基本的 SPI 總線

盡管表 1 中的引腳名稱取自 Motorola 公司的 SPI 標(biāo)準(zhǔn)，但特殊集成電路的 SPI 端口名稱通常與圖 1 中所標(biāo)示的名稱有所不同。

表 1 SPI 引腳名稱分配

SPI 數(shù)據(jù)速率通常介于 1 到 70 MHz 之間，字節(jié)長(zhǎng)度范圍從 8 位和 12 位到這些數(shù)值的倍數(shù)位。

數(shù)據(jù)傳輸通常會(huì)包含一次數(shù)據(jù)交換。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從節(jié)點(diǎn)也會(huì)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。為此，主節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部移位寄存器和從節(jié)點(diǎn)被設(shè)置成環(huán)形（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。

圖 2 兩個(gè)移位寄存器形成一個(gè)內(nèi)部芯片環(huán)形緩沖器

在數(shù)據(jù)交換之前，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)使其內(nèi)部移位寄存器加載存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò) MOSI 線同步輸出其移位寄存器。同時(shí)，從節(jié)點(diǎn)在 SIMO 處從主節(jié)點(diǎn)讀取第一位，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，然后通過(guò) SOMI 輸出 MSB。主節(jié)點(diǎn)會(huì)在 MISO 處讀取從節(jié)點(diǎn)的第一位，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中以待稍后處理。整個(gè)過(guò)程將一直持續(xù)，直至交換完所有數(shù)據(jù)位，然后主節(jié)點(diǎn)使時(shí)鐘空閑并通過(guò) /SS 禁用從節(jié)點(diǎn)。

除設(shè)置時(shí)鐘頻率之外，主節(jié)點(diǎn)還會(huì)配置相對(duì)于數(shù)據(jù)的時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。這兩個(gè)選項(xiàng)分別稱作 CPOL 和 CPHA，能夠允許時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn) 180 度相移且數(shù)據(jù)延遲半個(gè)時(shí)鐘周期。圖 3 顯示了相應(yīng)的時(shí)序圖。

圖 3 時(shí)鐘極性和相位的時(shí)序圖

CPOL = 0 時(shí)，時(shí)鐘在邏輯 0 處空閑：

• 如果 CPHA = 0，數(shù)據(jù)會(huì)在 SCK 的上升沿上讀取，在下降沿上變化。
• 如果 CPHA = 1，數(shù)據(jù)會(huì)在 SCK 的下降沿上讀取，在上升沿上變化。

CPOL = 1時(shí)，時(shí)鐘在邏輯高電平處空閑：

• 如果 CPHA = 0，數(shù)據(jù)會(huì)在 SCK的下降沿上讀取，在上升沿上變化。
• 如果 CPHA = 1，數(shù)據(jù)會(huì)在 SCK 的上升沿上讀取，在下降沿上變化。

圖 4 主節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立從節(jié)點(diǎn)（左）以及菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點(diǎn)（右）進(jìn)行通信

從節(jié)點(diǎn)獨(dú)立尋址時(shí)，主節(jié)點(diǎn)必須提供多個(gè)從選擇信號(hào)。該結(jié)構(gòu)一般用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，其中的多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 都必須單獨(dú)接入。

菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點(diǎn)需要主節(jié)點(diǎn)提供唯一的從選擇信號(hào)，因此該結(jié)構(gòu)要求同時(shí)啟用所有從節(jié)點(diǎn)，以確保菊花鏈內(nèi)通過(guò)所有移位寄存器的數(shù)據(jù)流不會(huì)中斷。典型的應(yīng)用為工業(yè)級(jí) I/O 模塊中的級(jí)聯(lián)多通道輸入串行器和輸出驅(qū)動(dòng)器。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Kugelstadt 現(xiàn)任 TI 高級(jí)系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)定義新型高性能模擬產(chǎn)品以及探測(cè)和調(diào)節(jié)工業(yè)系統(tǒng)中低電平模擬信號(hào)的完整系統(tǒng)解決方案的開(kāi)發(fā)工作。

在 TI 工作的 20 年間，他曾被派往歐洲、亞洲以及美國(guó)擔(dān)任過(guò)各種國(guó)際應(yīng)用職位。 Thomas 畢業(yè)于法蘭克福應(yīng)用技術(shù)大學(xué) (Frankfurt University of Applied Science)，一畢業(yè)就成為一名見(jiàn)習(xí)工程師 (Graduate Engineer)。