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SPI匯流排:單一主机對單一从机
SPI匯流排:單一主机對複合从机

串行外设接口(Serial Peripheral Interface Bus,SPI),是一种用于晶片通信的同步串行通信接口规范,主要应用于单片机系统中。类似I²C。 这种接口首先由摩托罗拉公司于20世纪80年代中期开发,后发展成了行业规范。它的典型应用有SD卡液晶显示器

SPI设备之间使用全双工模式通信,是一个主机和一个或多个从机的主从模式。主机负责初始化,这个数据传输帧可以用于读与写两种操作,片选英语Chip select线路可以从多个从机选择一个来响应主机的请求。

有时SPI接口被称作四线式接口,这是为了与其他不同线制的数据传输接口加以区分。SPI准确来讲应为“同步串行接口”,但是它又与同步串行接口协议(SSI)是完全不同的两种协议。虽然SSI也是一个四线式同步通信协议,但是它使用差分信号,而且仅提供一个单工通信信道。于此相对地,SPI是一个单主机多从机的通信接口。

接口[编辑]

SPI总线规定了4个保留逻辑信号接口:

  • SCLK(Serial Clock):串列时脈,由主机发出
  • MOSI(Master Output, Slave Input):主机输出从机输入信号(数据由主机发出)
  • MISO(Master Input, Slave Output):主机输入从机输出信号(数据由从机发出)
  • SS(Slave Select):片选信号,由主机发出,一般是低電位有效

尽管上面的引脚名称是最常用的,但在过去,有时会使用其他引脚命名方式,因此旧的集成电路产品的SPI端口引脚名称可能有所不同。

操作[编辑]

SPI总线的通信操作可以在单个主设备与一或多个从设备之间进行。

在只有单一从设备的情况下,如果从设备允许,SS引脚可以固定为逻辑低电平。然而有一些从设备需要片选信号的下降沿来触发动作。Maxim MAX1242 ADC就是一个例子,它在高→低转换时才会开始进行模数转换。对于多个从设备,每个从设备都需要一个独立的SS信号。

大多数从属设备​​具有三態邏輯的特性,所以当器件未被选中时,它们的MISO信号变为高阻抗(逻辑断开)。没有三态输出的器件不能与其他器件共享SPI总线段,但是可以使用外接的三态逻辑缓存来解决这个问题。

数据传输[编辑]

为了开始通信,总线上的主设备需要使用从设备支持的频率来配置时钟,这个频率最高为几兆赫兹左右。然后主设备将某根连接到从设备SS的线上的信号置为0来选中这个从设备。如果等待时间是必要的话(例如进行模数转换),主设备必须等待满这段时间之后,才可以发出时钟周期信号。

在每个SPI时钟周期内,都会发生全双工数据传输。主设备在MOSI线上发送一个位,从设备读取它,同时从机在MISO线上发送一位数据,主机读取它。即使只有单向数据传输的目的,主从机之间的通信工作方式仍然是双工的。

传输通常会使用给定字长的两个移位寄存器,一个在主设备中,一个在从设备中,它们之间的连接方式形成了一个虚拟的环形拓樸结构。数据通常先从最高位移出。在时钟信号边沿,主机和从机均移出一位,然后在传输线上输出给对方。在下一个时钟沿,每个接收器都从传输线接受对方发出的数据位,并且从移位寄存器的最低位推入。每完成这样一个移出——推入的周期后,主机和从机就交换寄存器中的一位数据。当所有数据位都经过了这样的移出——推入过程后,主机和从机就完成了寄存器上的数据交换。如果需要交换的数据比寄存器的位数还要长的话,则需要重新加载移位寄存器并重复该过程。传输可能会持续任意数量的时钟周期。完成后,主设备会停止发送时钟信号,并通常会取消选择从设备。

传输寄存器通常包含8位。但是其他字长也很常见,例如触摸屏控制器或音频编解码器通常采用16位字长(如德州仪器的TSC2101),许多数模转换或者模数转换的设备则会采用12位字长。

所有在总线上的没有被片选线激活的从设备必须忽略输入时钟和MOSI信号,并且不得从MISO发送数据。

独立的从设备配置[编辑]

在独立的从设备配置中,每个从设备都有独立的芯片选择线。 强烈建议在每个独立器件上使用电源和片选线之间使用上拉电阻,以减少器件之间的串扰。 这是SPI通常被使用的方式。 由于从机的MISO引脚连接在一起,因此它们需要为三态引脚(高,低或高阻抗)。

中断[编辑]

SPI从设备有时会使用另一条信号线将中断信号发送到主设备的CPU。 例子包括来自触摸屏传感器的笔下中断,来自温度传感器的热限制警报,实时时钟芯片发出的警报, SDIO以及来自手机中声音编解码器的耳机插孔插入。 SPI标准中并不包括中断。 中断的使用既不被禁止也不被标准规定。

SPI代码示例[编辑]

/*
 * 通过SPI协议在主设备和从设备之间交换一个字节的数据
 *
 * Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
 *   - 输入数据在SCLK的上升沿捕获。
 *   - 输出数据在SCLK的下降沿传播。
 *
 * 返回接收到的一字节的数据
 */
uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out)
{
    uint8_t byte_in = 0;
    uint8_t bit;

    for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {
        /* Shift-out a bit to the MOSI line */
        write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);

        /* Delay for at least the peer's setup time */
        delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);

        /* Pull the clock line high */
        write_SCLK(HIGH);

        /* Shift-in a bit from the MISO line */
        if (read_MISO() == HIGH)
            byte_in |= bit;

        /* Delay for at least the peer's hold time */
        delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);

        /* Pull the clock line low */
        write_SCLK(LOW);
    }

    return byte_in;
}

优点和缺点[编辑]

优点[编辑]

  • SPI协议默认是全双工通信。
  • 推挽式驱动器 (与开路漏极相反)可提供良好的信号完整性和高速度
  • 比I²C或SMBus更高的吞吐量 。 不限于任何最大时钟速度,可实现高速运行
  • 完整的传输位协议灵活性
    • 不限于8位字
    • 消息大小,内容和目的的任意选择
  • 非常简单的硬件接口
  • 由于电路较少(包括上拉电阻),因此通常比I²C或SMBus的功耗要低,
  • 没有仲裁或相关的失败模式
  • 从设备直接使用主时钟,不需要精密振荡器
  • 从站不需要唯一的地址 - 不像I²CGPIBSCSI
  • 不需要收发器
  • IC封装只使用四个引脚,而电路板布局或连接器则少于并行接口
  • 每个器件至多有一个独特的总线信号(芯片选择);其他信号均可以共享
  • 信号是单向的,允许简单的电偶分离
  • 简单的软件实现

缺点[编辑]

  • 即使是三线式SPI,也需要比I²C更多的IC封装引脚
  • 没有带内寻址; 共享总线上需要带外片选信号
  • 从机没有硬件流量控制 (但主机可以延迟下一个时钟边沿以降低传输速率)
  • 没有硬件从设备确认(主机可能无法传输并且不知道这一点)
  • 通常只支持一个主设备(取决于设备的硬件实现)
  • 没有定义错误检查协议
  • 没有正式的标准,验证一致性是不可能的
  • RS-232RS-485或CAN总线相比,它只能处理短距离内的数据传输。 (距离可以通过使用收发器如RS-422进行扩展)
  • 有许多现有的变体,使得很难找到支持这些变体的主机适配器等开发工具
  • SPI不支持热交换 (动态添加节点)。
  • 中断必须通过带外信号来实现,或者通过使用类似于USB 1.1和2.0的定期轮询来伪造
  • 一些变体,如双路SPI四路SPI三线SPI是半双工的。

參見[编辑]

外部連結[编辑]