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序列周边接口

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SPI总线：单一主机对单一从机
SPI总线：单一主机对复合从机

串行外设接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一种用于芯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的信号传递。类似的技术还有I²C等。 摩托罗拉公司于20世纪80年代中期首先开发出此传输接口，之后逐渐发展为行业规范之一。它的典型应用有闪存[1][2]、EEPROM、SD卡与液晶显示器。

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。主机负责初始化帧，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。

SPI是一种事实标准，也就是说这种规范没有对应的技术标准。因此各个厂家生产的SPI器件配置不一样，不一定有互操作性。

接口

SPI总线规定了4个保留逻辑信号接口：

  • SCLK（Serial Clock）：串列时脉，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，一般是低电位有效

尽管上述的引脚名称是最常用的，但是，在过去有时使用其他引脚命名方式，因此旧的积体电路产品的SPI端口引脚名称可能有所不同。

操作

SPI总线的通信操作，可以在单个主机与一个或多个从机之间进行。

在单一从机的情况下，若从机允许，SS线可以固定为逻辑低电平。然而一些从机需要片选讯号的负缘触发来启动，例如Maxim MAX1242 ADC在高→低转换时才会开始进行模数转换。对于多个从机，每个从机都需要一个独立的SS讯号。

大多数从机具有三态逻辑的特性，所以当从机未被选中时，它们的MISO讯号变为高阻抗（逻辑断开）。没有三态输出的设备不能与其他设备共享SPI总线段，但是能使用外接的三态逻辑缓存来解决此问题。

数据传输

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。然后主设备将某个从设备的SS线置为低电平，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），主设备必须在这段时间结束后，才可以发出时钟周期讯号。

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。

两个连接成虚拟环形缓冲器的移位寄存器

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，这两个寄存器连接成一个虚拟的环形缓冲器。数据通常先从最高位移出。在时钟讯号边沿，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讯号，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讯号，并且不得从MISO发送数据。

独立的从设备配置

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。在一般情况下，要通过上拉电阻将片选线（ss线）与电源连接起来，以减少器件之间的串扰[3]。 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

SPI从设备有时会使用另一条讯号线将中断讯号发送到主设备的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

/*
 * 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

优点

  • SPI协议默认是全双工通信。
  • 与漏极开路输出相反，SPI的推挽输出可提供良好的信号完整性和高速度
  • 比I²C或SMBus更高的传输带宽 。 不限于任何最大时钟频率，可实现高速运行
  • 完整的传输位协议灵活性
    • 不限于8位字
    • 任意选择消息大小，内容和目的地
  • 简单的线路连接
    • 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
    • 从站与主机使用同一主频来源，不需要各自配置精密振荡器
    • 从站不需要唯一的地址 - 不像I²C或GPIB或SCSI
    • 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，允许简单的电气隔离
  • 软件撰写简易

缺点

  • 即使是三线式SPI，也需要比I²C更多的IC线路
  • 没有带内寻址; 共享总线上需要带外片选信号
  • 从机不支持流控制 （但主机可以延迟下一个时钟边沿以降低传输速率）
  • 不支持动态添加节点（热插拔）。
    • 没有从机检测机制，主机无法检测是否与从机断开。
  • 通常只支持一个主设备（取决于设备的硬件实现）
  • 没有错误检测机制，不像I²C在每个字节后有回复信号
  • 无法进行数据检验，不定义额外的协议时（如CRC）无法保证数据正确性。
  • 与RS-232 ， RS-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。
  • 必须通过带外信号来实现中断，或者通过使用类似于USB 1.1和2.0的定期轮询来模拟中断

参见

参考文献

  1. ^ 存档副本. [2020-09-10]. （原始内容存档于2019-11-09）. 
  2. ^ 存档副本. [2020-09-10]. （原始内容存档于2019-04-30）. 
  3. ^ Better SPI Bus Design in 3 Steps. [2021-01-01]. （原始内容存档于2021-12-15） （英语）. 

外部链接


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