【原】干貨 | 一文了解SPI總線工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用案例

知芯世界 2020-10-28

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將微控制器連接到傳感器，顯示器或其他模塊時(shí)，您是否考慮過兩個(gè)設(shè)備之間如何通信？他們到底在說什么？他們?nèi)绾文軌蛳嗷ダ斫猓?/span>

電子設(shè)備之間的通信就像人類之間的通信，雙方都需要說同一種語言。在電子學(xué)中，這些語言稱為通信協(xié)議。幸運(yùn)的是，在構(gòu)建大多數(shù)DIY電子項(xiàng)目時(shí)，我們只需要了解一些通信協(xié)議。在本系列文章中，我們將討論三種最常見協(xié)議的基礎(chǔ)知識(shí)：串行外設(shè)接口（SPI），內(nèi)部集成電路（I2C）和通用異步接收器/發(fā)送器（UART）驅(qū)動(dòng)通信。

首先，我們將從一些關(guān)于電子通信的基本概念開始，然后詳細(xì)解釋SPI的工作原理。

SPI，I2C和UART比USB，以太網(wǎng)，藍(lán)牙和WiFi等協(xié)議慢得多，但它們更簡單，使用的硬件和系統(tǒng)資源也更少。 SPI，I2C和UART非常適用于微控制器之間以及微控制器和傳感器之間的通信，在這些傳感器中不需要傳輸大量高速數(shù)據(jù)。

串行與并行通信

電子設(shè)備通過物理連接在設(shè)備之間的導(dǎo)線發(fā)送數(shù)據(jù)位來相互通信，有點(diǎn)像一個(gè)字母中的字母，除了26個(gè)字母（英文字母表中），一個(gè)位是二進(jìn)制的，只能是1或0。通過電壓的快速變化，位從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備。在工作電壓為5V的系統(tǒng)中，0位作為0V的短脈沖通信，1位通過5V的短脈沖通信。

數(shù)據(jù)位可以并行或串行形式傳輸。在并行通信中，數(shù)據(jù)位是同時(shí)發(fā)送的，每個(gè)都通過單獨(dú)的線路。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的并行傳輸：

在串行通信中，通過單線逐個(gè)發(fā)送這些位。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的串行傳輸：

SPI通信簡介

許多設(shè)備都采用了SPI通用通信協(xié)議。例如，SD卡模塊，RFID讀卡器模塊和2.4 GHz無線發(fā)送器/接收器都使用SPI與微控制器通信。

SPI的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是可以不間斷地傳輸數(shù)據(jù)。可以連續(xù)流發(fā)送或接收任意數(shù)量的比特。使用I2C和UART，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送，限制為特定的位數(shù)。啟動(dòng)和停止條件定義每個(gè)數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，因此數(shù)據(jù)在傳輸過程中會(huì)被中斷。

通過SPI通信的設(shè)備處于主從關(guān)系。主設(shè)備是控制設(shè)備（通常是微控制器），而從設(shè)備（通常是傳感器，顯示器或存儲(chǔ)器芯片）接收來自主設(shè)備的指令。最簡單的SPI配置是單主機(jī)，單從機(jī)系統(tǒng)，但是一個(gè)主機(jī)可以控制多個(gè)從機(jī)（下面將詳細(xì)介紹）。

SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間。

（1）MISO– Master Input Slave Output,主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；

（2）MOSI– Master Output Slave Input，主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；

（3）SCLK – Serial Clock，時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生；

（4）CS – Chip Select，從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制。

*實(shí)際上，從設(shè)備的數(shù)量受到系統(tǒng)負(fù)載電容的限制，受主設(shè)備在電壓電平之間精確切換的能力。

SPI如何工作

時(shí)鐘
時(shí)鐘信號(hào)將來自主設(shè)備的數(shù)據(jù)位輸出與從設(shè)備的位采樣同步。在每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扔蓵r(shí)鐘信號(hào)的頻率決定。由于主設(shè)備配置并生成時(shí)鐘信號(hào)，因此SPI時(shí)鐘始終為主設(shè)備的時(shí)鐘。

設(shè)備共享時(shí)鐘信號(hào)的任何通信協(xié)議稱為同步。SPI是一種同步通信協(xié)議，還有一些不使用時(shí)鐘信號(hào)的異步方法。例如，在UART通信中，雙方都設(shè)置為預(yù)先配置的波特率，該波特率決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜁r(shí)間。

SPI中的時(shí)鐘信號(hào)可以使用時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位屬性進(jìn)行修改。這兩個(gè)屬性協(xié)同工作以定義何時(shí)輸出以及何時(shí)對(duì)它們進(jìn)行采樣。時(shí)鐘極性可由主機(jī)設(shè)置，以允許在時(shí)鐘周期的上升沿或下降沿輸出和采樣。時(shí)鐘相位也可以由主機(jī)設(shè)置，以便在時(shí)鐘周期的第一個(gè)邊沿或第二個(gè)邊沿上進(jìn)行輸出和采樣，無論是上升還是下降。

從設(shè)備選擇
主設(shè)備可以通過將從設(shè)備的CS / SS線設(shè)置為低電壓電平來選擇要通話的從設(shè)備。在空閑非傳輸狀態(tài)中，從選擇線保持在高電壓電平。主機(jī)上可能有多個(gè)CS / SS引腳，以允許多個(gè)從機(jī)并聯(lián)連接。如果只有一個(gè)CS/SS引腳，則可以通過菊花鏈將多個(gè)從器件連接到主器件。

多個(gè)從設(shè)備
SPI可以設(shè)置為使用單個(gè)主設(shè)備和單個(gè)從設(shè)備進(jìn)行操作，也可以設(shè)置通過單個(gè)主設(shè)備控制多個(gè)從設(shè)備。有兩種方法可以將多個(gè)從站連接到主站。如果主機(jī)有多個(gè)從機(jī)選擇引腳，則從機(jī)可以并聯(lián)連接，如下所示：

如果只有一個(gè)從選擇引腳可用，則從器件可以菊花鏈?zhǔn)竭B接，如下所示：

MOSI和MISO
主機(jī)通過MOSI線串行發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)。從器件接收MOSI引腳上的主器件發(fā)送的數(shù)據(jù)。從主設(shè)備發(fā)送到從設(shè)備的數(shù)據(jù)通常首先以最高有效位發(fā)送。

從機(jī)還可以通過串行的MISO線路將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。從從設(shè)備發(fā)送回主設(shè)備的數(shù)據(jù)通常首先以最低有效位發(fā)送。

SPI數(shù)據(jù)傳輸步驟
1.主機(jī)輸出時(shí)鐘信號(hào)：

2.主器件將SS / CS引腳切換到低電壓狀態(tài)，從而激活從器件：

3.主機(jī)沿MOSI線一次一位地向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。從機(jī)在接收到的位時(shí)讀取這些位：

4.如果需要響應(yīng)，從站將沿著MISO線一次一位地向主站返回?cái)?shù)據(jù)。主機(jī)在接收到的位時(shí)讀取這些位：

SPI的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

使用SPI有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如果在不同的通信協(xié)議之間進(jìn)行選擇，您應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目的要求知道何時(shí)使用SPI：

優(yōu)點(diǎn)
沒有啟動(dòng)和停止位，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)流式傳輸而不會(huì)中斷
沒有復(fù)雜的從機(jī)尋址系統(tǒng)，如I2C
比I2C更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（幾乎快兩倍）
單獨(dú)的MISO和MOSI線，因此可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

缺點(diǎn)
使用四根線（I2C和UART使用兩根）
無法確認(rèn)數(shù)據(jù)已成功接收（I2C已執(zhí)行此操作）
沒有錯(cuò)誤檢查，如UART中的奇偶校驗(yàn)位
僅允許單個(gè)主機(jī)