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[導(dǎo)讀]本文來總結(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)。

[導(dǎo)讀] 前面總結(jié)了UART/I2C的技術(shù)要點(diǎn),SPI相對I2C而言,比較簡單。 本文來總結(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)。總是由主端控制該信號,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枺瑥亩藶檩斎氩蓸?。
  • MISO:主入從出(Master Input Slave Output)??偸怯蓮亩丝刂圃撔盘?,主端為輸入采樣。
  • :從選擇信號(Slave Select)??偸怯芍鞫丝刂圃撔盘枺瑥亩藶檩斎氩蓸?。

要理解上面這幾個(gè)信號引腳的內(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時(shí)鐘信號同步存儲元件狀態(tài)變化的數(shù)字電路。

  • 主端>從端

    • :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時(shí)序定義。從端依賴SCK/SCLK對MOSI上的信號逐位采樣,采樣的位依次進(jìn)入接收移位寄存器,完成對字節(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)中斷請求,如是特定功能數(shù)字芯片,則依據(jù)接收報(bào)文完成相應(yīng)的功能處理。
  • 從端>主端:

    • :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)信息傳遞需要級聯(lián)傳遞。

獨(dú)立片選拓?fù)?/span>


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,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,這句話對于多從設(shè)備應(yīng)用而言,請重點(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就是高阻,所以不會(huì)有問題。

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,類似于雛菊的花環(huán)。其信息傳遞在鏈中流轉(zhuǎn)。

那么對于SPI總線而言,具體是如何連接的呢?

其本質(zhì)就是主從級聯(lián):

  • 共用SCLK/ ,這兩根線并聯(lián)在一起
  • 主MOSI連次級MOSI,次級MISO連次次級的MOSI....,然后由最后一級的MISO再送回到主設(shè)備的MISO。

  • 某級從設(shè)備在第N組時(shí)鐘周期用MISO發(fā)送第N-1組時(shí)鐘周期接收到位給下級設(shè)備,同時(shí)把本組時(shí)鐘周期期間前級設(shè)備通過MISO移位進(jìn)來的數(shù)據(jù)保存按位序保存進(jìn)接收寄存器中。其實(shí)在底層是按照位進(jìn)行流轉(zhuǎn)的。這個(gè)傳遞過程當(dāng) 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)則停止,各從設(shè)備當(dāng)前寄存器中內(nèi)容鎖定了。具體應(yīng)用時(shí),如果要將某一字節(jié)傳遞到某個(gè)設(shè)備,則需要組織好傳遞的碼流,以及時(shí)鐘控制。
  • 對于菊花鏈數(shù)據(jù)傳遞過程,其實(shí)類似于擊鼓傳花游戲。鼓點(diǎn)的作用就是同步時(shí)鐘,花則是要傳遞的信息數(shù)據(jù),鼓點(diǎn)的起停則類似于片選控制,唯一不同的是,擊鼓傳花傳的是一朵花,而菊花鏈總線傳遞的是二進(jìn)制流,至于從設(shè)備究竟要怎么應(yīng)用這些數(shù)據(jù)流,則具體實(shí)現(xiàn)各異。

其實(shí)熟悉數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同學(xué)可能會(huì)想,這個(gè)拓?fù)湔芟袷孜蚕噙B的環(huán)形鏈表呢?確實(shí)很像,雖然沒啥直接關(guān)系。

引腳的別名

對于SPI的引腳,不同的芯片廠商在DATASHEET上定義的引腳名字可能不同,這里將常見的別名整理一下:

  • MOSI主出從入:

    • SIMO, MTSR
    • SDI, DI, DIN, SI
    • SDO, DO, DOUT, SO
  • MISO主入從出

    • SOMI, MRST
    • SDO, DO, DOUT, SO
    • SDI, DI, DIN, SI
  • 片選

    • S?S?, SSEL, CS, C?S?, CE, nSS, /SS, SS

很多功能芯片可能沒有MISO引腳,也即無法支持讀操作,僅僅支持寫入操作。

SPI優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)勢:

  • 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,但有的芯片沒有MISO,則不支持。
  • 相較于I2C而言,SPI簡單一些,編程容易,控制簡單
  • 信號為單向信號,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。
  • 沒有復(fù)雜的總線仲裁機(jī)制,相對健壯。

劣勢:

  • 無尋址機(jī)制,需要額外的片選信號
  • SPI總線對于多從模式支持不好,兩種拓?fù)涠紵o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
  • 沒有定義錯(cuò)誤檢測機(jī)制
  • 事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),但無正式標(biāo)準(zhǔn)
  • 與I2C一樣也只是芯片間總線,無法長距離通信

總結(jié)一下

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

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?strong style="color: rgb(0, 150, 136);">極簡的基礎(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。SPI的優(yōu)雅之處在于簡單性。SPI應(yīng)該被視為構(gòu)建用于IC之間通信的自定義協(xié)議棧的良好接口。因此,盡管使用SPI可能需要做更多的工作,但可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸性能和靈活的自由度。

如果一定要比較,則SPI和I2C都為低速設(shè)備的通信提供了良好的接口支持,但是SPI更適合點(diǎn)對點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)流的應(yīng)用,而I2C則更適合于多主機(jī)“寄存器訪問”應(yīng)用。

正確使用這兩種協(xié)議可提供相同級別的魯棒性,芯片廠商對兩種接口都廣泛支持。市面上提供了大量的外圍芯片,比如 EEPROM,ADC,DAC,RTC,微控制器,傳感器,LCD控制器,這些芯片主要提供I2C,SPI或同時(shí)支持這2個(gè)接口。

-END-

      
            

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