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序列周邊接口
鎖定
- 中文名
- 序列周邊接口
- 外文名
- Serial Peripheral Interface Bus，SPI
- 別 名
- 序列周邊接口
序列周邊接口簡介
這種接口首先被Motorola（摩托羅拉）公司開發，然後發展成了一種行業規範。典型應用包含SD卡和液晶顯示器。 SPI設備之間使用全雙工模式通信，包含一個主機和一個或多個從機。主機產生待讀或待寫的幀數據，多個從機通過一個片選線路 決定哪個來響應主機的請求。 有時SPI接口被稱作四線程接口，SPI準確來講稱為同步串行接口，但是與同步串行接口協議（SSI）不同，SSI是一個四線程同步通信協議，但是使用差分信號輸入同時僅提供一個單工通信信道。
序列周邊接口接口
SPI總線規定了4個保留邏輯信號接口：
- SCLK（Serial Clock）：串列時脈，由主機發出
- MOSI（Master Output,Slave Input）：主機輸出從機輸入信號，由主機發出
- MISO（Master Input,Slave Output）：主機輸入從機輸出信號，由從機發出
- SS（Slave Selected）：選擇信號，由主機發出，一般是低電位有效
儘管上面的引腳名稱是最常用的，但在過去，有時會使用其他引腳命名約定，因此舊IC產品的SPI端口引腳名稱可能有所不同。
序列周邊接口操作
SPI總線可以在有單個主設備與一個或多個從設備的情況下運行。
如果使用單個從設備，則如果從設備允許，SS引腳可以固定為邏輯低電平。 一些從設備需要片選信號的下降沿來啓動一個動作。 Maxim MAX1242 ADC就是一個例子，它在高→低轉換時開始轉換。 對於多個從設備，每個從設備都需要一個獨立的SS信號。
大多數從屬設備具有三態輸出的特性，所以當器件未被選中時，它們的MISO信號變為高阻抗（邏輯斷開）。 沒有三態輸出的器件不能與其他器件共享SPI總線段; 只有一個這樣的從設備可以與主設備交換信息。
序列周邊接口數據傳輸
為了開始通信，總線上的主設備需要使用從設備支持的頻率來配置時鐘，通常是幾個MHz。 然後主設備將某根連接到從設備SS的線上的信號置為0來選中這個從設備。 如果需要等待一段時間（例如進行模數轉換），主器件在發出時鐘週期之前必須至少等待這段時間。
在每個SPI時鐘週期內，都會發生全雙工數據傳輸。 主設備在MOSI線上發送一個位，從設備讀取它，同時從機在MISO線上發送一位數據，主機讀取它。 即使只有單向數據傳輸的目的，工作方式仍然是雙工的。
傳輸通常會使用到給定字長的兩個移位寄存器，一個在主設備中，一個在從設備中; 它們以虛擬環形拓撲連接。 數據通常先移出最大的位。 在時鐘邊沿，主機和從機均移出一位，然後在傳輸線上輸出給對方。 在下一個時鐘沿，每個接收器都從傳輸線接受該位，並設置為移位寄存器的新的最低有效位。 在完成這樣一個移出-移入的週期後，主機和從機就交換寄存器中的一位。 如果需要更多的數據交換，則需要重新加載移位寄存器並重復該過程。 傳輸可能會持續任意數量的時鐘週期。 完成後，主設備會停止切換時鐘信號，並通常會取消選擇從設備。
傳輸寄存器通常包含8位。 但是，其他字長也很常見，例如，用於觸摸屏控制器或音頻編解碼器的16位（如德州儀器的TSC2101），或者用於許多數字-模擬或模擬-數字轉換的12位。
未使用片選線激活的總線上的每個從設備必須忽略輸入時鐘和MOSI信號，並且不得驅動MISO。
序列周邊接口獨立的從設備配置
在獨立的從設備配置中，每個從設備都有獨立的芯片選擇線。 強烈建議在每個獨立器件上使用電源和片選線之間使用上拉電阻，以減少器件之間的串擾。 這是SPI通常被使用的方式。 由於從機的MISO引腳連接在一起，因此它們需要為三態引腳（高，低或高阻抗）。
序列周邊接口中斷
SPI從設備有時會使用另一條信號線將中斷信號發送到主設備的CPU。 例子包括來自觸摸屏傳感器的筆下中斷，來自温度傳感器的熱限制警報，實時時鐘芯片發出的警報， SDIO以及來自手機中聲音編解碼器的耳機插孔插入。 SPI標準中並不包括中斷。 中斷的使用既不被禁止也不被標準規定。
序列周邊接口SPI代碼示例
/*
* 通過SPI協議在主設備和從設備之間交換一個字節的數據
*
* Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
* - 輸入數據在SCLK的上升沿捕獲。
* - 輸出數據在SCLK的下降沿傳播。
*
* 返回接收到的一字節的數據
*/
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;
}
序列周邊接口優點和缺點
序列周邊接口優點
- SPI協議默認是全雙工通信。
- 推輓式驅動器 （與開路漏極相反）可提供良好的信號完整性和高速度
- 比I²C或SMBus更高的吞吐量 。 不限於任何最大時鐘速度，可實現高速運行
- 完整的傳輸位協議靈活性
- 不限於8位字
- 消息大小，內容和目的的任意選擇
- 非常簡單的硬件接口
- 由於電路較少（包括上拉電阻），因此通常比I²C或SMBus的功耗要低，
- 沒有仲裁或相關的失敗模式
- 從設備直接使用主時鐘，不需要精密振盪器
- 從站不需要一個確定的地址 - 不像I²C或GPIB或SCSI
- 不需要收發器
- IC封裝只使用四個引腳，而電路板佈局或連接器則少於並行接口
- 每個器件至多有一個獨特的總線信號（芯片選擇）;其他信號均可以共享
- 信號是單向的，允許簡單的電偶分離
- 簡單的軟件實現
序列周邊接口缺點
- 即使是三線式SPI，也需要比I²C更多的IC封裝引腳
- 沒有帶內尋址; 共享總線上需要帶外片選信號
- 從機沒有硬件流量控制 （但主機可以延遲下一個時鐘邊沿以降低傳輸速率）
- 沒有硬件從設備確認（主機可能無法傳輸並且不知道這一點）
- 通常只支持一個主設備（取決於設備的硬件實現）
- 沒有定義錯誤檢查協議
- 沒有正式的標準，驗證一致性是不可能的
- 有許多現有的變體，使得很難找到支持這些變體的主機適配器等開發工具
- SPI不支持熱交換（動態添加節點）。
- 中斷必須通過帶外信號來實現，或者通過使用類似於USB 1.1和2.0的定期輪詢來偽造
- 一些變體，如雙路SPI ， 四路SPI和三線SPI是半雙工的。
- 參考資料
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- 1. Introduction to SerialPeripheral Interface ．百度學術[引用日期2018-07-30]
