SPI總線協(xié)議的主要通信原理是什么？詳解分析
SPI總線協(xié)議的通信原理主要是通過(guò)全雙工模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種協(xié)議通常包括一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備通過(guò)選擇不同的從設(shè)備以及向其發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的方式來(lái)與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信。SPI是一種同步通信協(xié)議，通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)的同步作用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個(gè)設(shè)備之間的傳遞。
具體來(lái)說(shuō)，SPI通信一般由四根線(或者五根線)組成：
1. CLK(Clock)：時(shí)鐘信號(hào)，規(guī)定數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。
2. MOSI(Master-Out-Slave-In)：主設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)。
3. MISO(Master-In-Slave-Out)：從設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)。
4. SS(Slave Select)：從設(shè)備的選擇信號(hào)。因?yàn)镾PI可以同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備，所以可以使用多個(gè)SS線來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)從設(shè)備的選擇。
在SPI通信過(guò)程中，主設(shè)備通過(guò)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入MOSI線路來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)從設(shè)備會(huì)通過(guò)MISO線路讀取數(shù)據(jù)。主設(shè)備可以通過(guò)SS線路來(lái)選擇特定的從設(shè)備進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)與多個(gè)從設(shè)備的交互。此外，主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是同步的，以時(shí)鐘信號(hào)CLK為基準(zhǔn)進(jìn)行傳輸。SPI主機(jī)設(shè)備以從機(jī)設(shè)備支持的頻率通過(guò)SCLK線給到SPI從機(jī)設(shè)備，這點(diǎn)也意味著從機(jī)是無(wú)法主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的，只能主機(jī)輪詢(xún)向從機(jī)發(fā)或者從機(jī)設(shè)備主動(dòng)通過(guò)一個(gè)IO口來(lái)告知主機(jī)數(shù)據(jù)到達(dá)。
在SPI每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，都會(huì)進(jìn)行一次全雙工數(shù)據(jù)的傳輸。主機(jī)通過(guò)MOSI線上發(fā)送1bit時(shí)，從機(jī)也會(huì)在讀取到之后通過(guò)MISO線發(fā)送1bit數(shù)據(jù)出去。這說(shuō)明，即使只進(jìn)行單工通信，也會(huì)保持此通信順序。
SPI傳輸通常涉及到兩個(gè)給定了字長(zhǎng)的移位寄存器。例如在主機(jī)、從機(jī)中的8bit的移位寄存器。它們以虛擬環(huán)形拓?fù)溥B接，數(shù)據(jù)通常先從最高有效位被移出。在時(shí)鐘沿，主機(jī)和從機(jī)都移出1bit數(shù)據(jù)從傳輸線上給到對(duì)方。在下一個(gè)時(shí)鐘邊沿來(lái)到時(shí)，雙方的接收器再對(duì)傳輸線上的該bit進(jìn)行采樣，并將其設(shè)置為移位寄存器的新的最低有效位。在寄存器位被移出和移入后，主機(jī)和從機(jī)交換了寄存器值。如果需要交換更多數(shù)據(jù)，則重新加載移位寄存器并重復(fù)該過(guò)程。傳輸可以持續(xù)任意數(shù)量的時(shí)鐘周期。完成后，主機(jī)停止切換時(shí)鐘信號(hào)
以下是STM32的SPI初始化示例，使用HAL庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)：
void SPIx_Init(void)
{
SPI_HandleTypeDef hspi;
/* 配置SPI參數(shù) */
hspi.Instance = SPIx;
hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;
hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
hspi.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
hspi.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
hspi.Init.CRCPolynomial = 10;
hspi.Init.CRCLength = SPI_CRC_LENGTH_DATASIZE;
hspi.Init.NSSPMode = SPI_NSS_PULSE_ENABLE;
/* 初始化SPI */
if (HAL_SPI_Init(&hspi) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
這個(gè)示例中，我們使用HAL庫(kù)函數(shù)來(lái)初始化SPI，其中SPIx表示要初始化的SPI的實(shí)例。在函數(shù)內(nèi)部，我們首先定義了一個(gè)SPI_HandleTypeDef類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體變量hspi，然后配置了SPI的參數(shù)。最后，我們調(diào)用HAL_SPI_Init函數(shù)來(lái)初始化SPI。如果初始化失敗，則調(diào)用Error_Handler函數(shù)處理錯(cuò)誤。
SPI通信流程可以概括為以下幾個(gè)步驟：
主設(shè)備發(fā)起信號(hào)，將CS/SS拉低，選擇片選，啟動(dòng)通信。
主設(shè)備通過(guò)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，來(lái)告訴從設(shè)備進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)操作。它將立即讀取數(shù)據(jù)線上的信號(hào)，得到一位數(shù)據(jù)。
主機(jī)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)到發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)，緩存區(qū)經(jīng)過(guò)移位寄存器將字節(jié)一位一位的移出去傳送給從機(jī)。同時(shí)，從機(jī)接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志位和中斷標(biāo)志位置“1”。
同時(shí)，從移位寄存器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)移位寄存器一位一位的移到接收緩存區(qū)。
主CPU檢測(cè)到主接收緩沖器的滿標(biāo)志位或者中斷標(biāo)志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)。同樣，從CPU檢測(cè)到從接收緩沖器滿標(biāo)志位或中斷標(biāo)志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)。
SPI協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)主要包括：高速數(shù)據(jù)傳輸,SPI協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速度比I2C等其他協(xié)議更快，因?yàn)樗鼪](méi)有數(shù)據(jù)應(yīng)答信號(hào)，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲。硬件接口簡(jiǎn)單,SPI協(xié)議的硬件接口比較簡(jiǎn)單，只需要4條線就可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，不需要額外的收發(fā)器或晶振，節(jié)省了硬件資源。靈活的數(shù)據(jù)傳輸,SPI協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸可以是8位、16位、32位等任意大小的字，比I2C等協(xié)議更靈活。便于擴(kuò)展,SPI協(xié)議支持多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備，方便系統(tǒng)擴(kuò)展。
SPI協(xié)議的缺點(diǎn)主要包括：沒(méi)有硬件應(yīng)答信號(hào),SPI協(xié)議沒(méi)有硬件應(yīng)答信號(hào)，如果主設(shè)備沒(méi)有收到從設(shè)備的應(yīng)答，就無(wú)法知道數(shù)據(jù)是否已正確傳輸，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性。占用引腳多,SPI協(xié)議需要4根信號(hào)線，而I2C協(xié)議只需要2根信號(hào)線，因此在引腳數(shù)量上SPI協(xié)議比I2C協(xié)議占用更多的引腳。只能支持一個(gè)主設(shè)備,SPI協(xié)議只能支持一個(gè)主設(shè)備，而I2C協(xié)議可以支持多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備。傳輸距離有限,SPI協(xié)議的傳輸距離相對(duì)較短，一般在幾厘米到幾米之間，而I2C協(xié)議的傳輸距離可以達(dá)到數(shù)十米。
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