干貨：SPI總線要點(diǎn)總結(jié)

SPI相對(duì)I2C而言，比較簡(jiǎn)單。本文來(lái)總結(jié)一下SPI總線個(gè)人認(rèn)為比較重要的一些技術(shù)要點(diǎn)。

什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一種嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的同步串行通信、主從架構(gòu)式總線接口。80年代由摩托羅拉開(kāi)發(fā)，已成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

這句話里有幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)：

同步、串行、通信、主從、總線。

要理解這些要點(diǎn)，先上圖，一圖勝千言：

常見(jiàn)的SPI接口有這樣幾個(gè)引腳：

SCLK: 串行時(shí)鐘，總是主端負(fù)責(zé)輸出(Master)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?hào)，從端為輸入采樣。

MOSI:主出從入（Master Output Slave Input)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?hào)，從端為輸入采樣。

MISO:主入從出(Master Input Slave Output)。總是由從端控制該信號(hào)，主端為輸入采樣。

SS:從選擇信號(hào)(Slave Select)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?hào)，從端為輸入采樣。

要理解上面這幾個(gè)信號(hào)引腳的內(nèi)涵，結(jié)合時(shí)序圖，就比較容易理解了：

數(shù)字電路中，同步電路是一種通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)同步存儲(chǔ)元件狀態(tài)變化的數(shù)字電路。

主端>從端：

SS:主端發(fā)送低電平先選通從芯片，上面加帽表示低有效。啥意思呢？就是這個(gè)腳低電平期間選中從設(shè)備，主設(shè)備發(fā)送的時(shí)序報(bào)文對(duì)選中的從設(shè)備有效，其他掛載在總線上的設(shè)備忽略總線報(bào)文。

SCLK/SCK：發(fā)送同步移位時(shí)鐘。

MOSI：將數(shù)據(jù)按照SCLK移位時(shí)鐘周期，將數(shù)據(jù)移位發(fā)送至該引腳。被選中的從設(shè)備依照SCLK/SCK上升沿或者下降沿，按位采樣，一般字節(jié)的高位在前，具體須遵從芯片手冊(cè)時(shí)序定義。從端依賴SCK/SCLK對(duì)MOSI上的信號(hào)逐位采樣，采樣的位依次進(jìn)入接收移位寄存器，完成對(duì)字節(jié)的重組。

當(dāng)字節(jié)接收完成，再由后續(xù)數(shù)字電路進(jìn)行處理。后續(xù)處理芯片實(shí)現(xiàn)各異，如是一個(gè)單片機(jī)則可能引發(fā)中斷請(qǐng)求，如是特定功能數(shù)字芯片，則依據(jù)接收?qǐng)?bào)文完成相應(yīng)的功能處理。

從端>主端:

SS:主芯片發(fā)送低電平先選通從芯片。

SCLK/SCK：發(fā)送同步移位時(shí)鐘。

MISO: 類(lèi)似MOSI發(fā)送位流，依賴SCLK/SCK將位流依次發(fā)送至引腳上，主設(shè)備在同步時(shí)鐘的跳變邊沿采樣該引腳，進(jìn)而移位接收位流。

采樣沿：SPI采用邊沿觸發(fā)采樣，對(duì)MOSI/MISO上的位序列進(jìn)行采樣，實(shí)際芯片有下面兩種方式

CPHA=0，表示上升沿采樣

CPHA=1，表示下降沿采樣

經(jīng)過(guò)這些描述，解釋了串行、同步、主從的概念。

什么是通信？

眾所周知，計(jì)算機(jī)是一個(gè)二進(jìn)制系統(tǒng)，所有的信息都是基于0/1進(jìn)行編碼、進(jìn)行運(yùn)行管理的。由0/1編碼進(jìn)而表示字符、文本、文件。那么SPI實(shí)現(xiàn)了底層的0/1碼流的傳遞機(jī)制，能傳遞0/1，通過(guò)應(yīng)用控制、很自然就能交換信息。

這是否有種一生二、二生三、三生萬(wàn)物的意思呢？

所以在研究各種通信總線的物理層時(shí)，就其本質(zhì)而言都是界定如何對(duì)信息流的基本單元0/1進(jìn)行編碼、解碼、收發(fā)的。

什么是SPI總線呢？

對(duì)于SPI總線而言，有兩種拓?fù)洌?/p>

獨(dú)立片選拓?fù)洌嚎偩€拓?fù)湫枰嗥x引腳，但通信效率高。信息直接在主從間傳遞

菊花鏈拓?fù)洌汗?jié)省引腳，但效率較低，數(shù)據(jù)信息傳遞需要級(jí)聯(lián)傳遞。

獨(dú)立片選拓?fù)?/p>

如上圖：

每個(gè)從設(shè)備都有獨(dú)立的片選引腳，主機(jī)同一時(shí)間段內(nèi)，與一個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信，也即選中一個(gè)從設(shè)備。

MOSI/MISO/SCLK并聯(lián)在一起

MISO須是三態(tài)門(mén)，當(dāng)從設(shè)備未選中時(shí)，該腳須設(shè)置為高阻態(tài)，而不能是輸出態(tài)，否則會(huì)影響總線，這句話對(duì)于多從設(shè)備應(yīng)用而言，請(qǐng)重點(diǎn)理解。尤其當(dāng)用GPIO模擬SPI應(yīng)用而言，須特別注意這一點(diǎn)！

對(duì)于MOSI/SCLK，雖然并聯(lián)在一起，但是由于僅一個(gè)輸出，多輸入。輸入引腳的阻抗本來(lái)就是高阻，所以不會(huì)有問(wèn)題。

菊花鏈拓?fù)?/span>

有的芯片支持菊花鏈拓?fù)溥B接，這是何意呢？啥是菊花鏈呢？在電氣和電子工程中，雛菊鏈?zhǔn)且环N布線方案，其中多個(gè)設(shè)備按順序或按環(huán)連接在一起，類(lèi)似于雛菊的花環(huán)。其信息傳遞在鏈中流轉(zhuǎn)。

SPI優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)：

傳輸速度高，SPI并未限定最高速度。有的應(yīng)用甚至高達(dá)10Mbps。

全雙工，但有的芯片沒(méi)有MISO，則不支持。

相較于I2C而言，SPI簡(jiǎn)單一些，編程容易，控制簡(jiǎn)單

信號(hào)為單向信號(hào)，易于電隔離。尤其在工業(yè)產(chǎn)品中電氣隔離在抗干擾方面、以及本質(zhì)安全方面要求比較高。

沒(méi)有復(fù)雜的總線仲裁機(jī)制，相對(duì)健壯。

劣勢(shì)：

無(wú)尋址機(jī)制，需要額外的片選信號(hào)

SPI總線對(duì)于多從模式支持不好，兩種拓?fù)涠紵o(wú)法支持很多從設(shè)備，而且系統(tǒng)中也僅有一個(gè)主設(shè)備

沒(méi)有定義錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制

事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，但無(wú)正式標(biāo)準(zhǔn)

與I2C一樣也只是芯片間總線，無(wú)法長(zhǎng)距離通信

總結(jié)

或許有人會(huì)說(shuō)I2C比SPI更好更為優(yōu)越，SPI則相對(duì)簡(jiǎn)單粗暴。事實(shí)上做這樣的對(duì)比，個(gè)人認(rèn)為是沒(méi)什么意義。

這兩種協(xié)議在魯棒性方面都比較好。I2C之所以優(yōu)雅，是因?yàn)樗跇O簡(jiǎn)的基礎(chǔ)架構(gòu)（兩線SDA/SCL）上提供了非常先進(jìn)的功能，例如自動(dòng)多主機(jī)沖突處理和內(nèi)置地址管理。但是它相對(duì)卻非常復(fù)雜，在性能上或許有所欠缺。

另一方面，SPI非常易于理解和實(shí)施，并且為擴(kuò)展提供了很大的靈活性。