SPI总线协议及时序

### SPI总线协议及时序详解 #### 一、SPI总线概述 SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的、全双工、同步的通信总线，它仅占用四个引脚（SS/CS、SCK、SDI/MOSI、SDO/MISO），极大地节省了芯片资源并简化了PCB布局设计。SPI接口的这一特性使其在许多应用场景中得到广泛应用，特别是在那些对外围设备集成度要求较高的嵌入式系统中。 #### 二、SPI总线结构与工作原理 SPI总线由以下四个信号组成： 1. **SS/CS (Slave Select/Chip Select)**：选通信号，低电平有效，用于激活或去激活特定的SPI从设备。 2. **SCK (Serial Clock)**：串行时钟信号，由主设备产生，用于同步数据传输。 3. **SDI/MOSI (Master Out Slave In)**：数据输入线，由主设备向从设备发送数据。 4. **SDO/MISO (Master In Slave Out)**：数据输出线，由从设备向主设备发送数据。 SPI通信的核心在于时序控制。数据传输遵循“高位优先”原则，即最开始发送的是最高位。数据传输发生在SCK时钟的边缘，具体是在上升沿还是下降沿取决于CPHA配置。通常情况下，数据的发送发生在时钟的上升沿，而接收发生在下降沿。 #### 三、SPI时序图详解 下面通过一个具体的例子来详细解释SPI时序： 假设有一个SPI通信场景，其中主机和从机的初始缓冲区分别为`sbuff = 0xAA` (10101010) 和 `sbuff = 0x55` (01010101)。我们将展示在8个时钟周期内的数据交换过程（以主机发送数据为主导）： | 脉冲 | 主机 sbuff | 从机 sbuff | SDI | SDO | | --- | --- | --- | --- | --- | | 0 | - | 01010101 | 0 | 10101010 | | 1 | 10101010 | x1010101 | 01 | 10101011 | | 2 | 01010100 | x0101011 | 01 | 01010110 | | 3 | 11010100 | x1010110 | 10 | 10101101 | | 4 | 01010010 | x0101101 | 01 | 01011010 | | 5 | 10100101 | x1011010 | 01 | 10110101 | | 6 | 01001010 | x0110101 | 01 | 01101010 | | 7 | 10010101 | x1101010 | 01 | 11010101 | | 8 | 00101010 | 11010101 | 01 | 11010101 | 在这个过程中，每当SCK上升沿发生时，主机通过SDO线发送一位数据给从机；而在SCK下降沿时，主机通过SDI线接收来自从机的一位数据。经过8个时钟周期后，两个寄存器中的数据完成交换。 #### 四、SPI的工作模式 SPI总线支持四种工作模式（SP0、SP1、SP2、SP3），其中SP0和SP3是最常用的方式。这些模式通过两个配置位来定义：CPOL和CPHA。 - **CPOL (Clock Polarity)**：时钟空闲状态的极性，0表示空闲时钟为低电平，1表示空闲时钟为高电平。 - **CPHA (Clock Phase)**：确定数据采样的时钟边沿，0表示在第一个边沿（上升或下降）采样数据，1表示在第二个边沿采样数据。 **SP0**（CPOL=0, CPHA=0）：空闲时钟为低电平，数据在时钟的上升沿改变，在下降沿采样。 **SP3**（CPOL=1, CPHA=1）：空闲时钟为高电平，数据在时钟的下降沿改变，在下一个上升沿采样。 #### 五、SPI的主要特点 1. **全双工通信**：SPI总线支持同时发送和接收数据。 2. **主机与从机角色**：SPI支持作为主机或从机工作。 3. **可编程时钟频率**：可以根据不同需求调整通信时钟频率。 4. **中断标志**：提供数据发送结束的中断标志。 5. **写冲突保护**：防止在写操作期间数据被意外修改。 6. **总线竞争保护**：确保数据的正确传输，避免多主机同时操作导致的问题。 SPI总线以其高效、灵活的特点，在嵌入式系统中发挥着重要作用。了解SPI总线的基本原理及其时序对于开发基于SPI的应用程序至关重要。