SPI協議詳解
轉自：https://my.oschina.net/freeblues/blog/67400
1.SPI協議簡介
1.1.SPI協議概括
SPI，是英語Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應用在 EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，並且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間，提供方便，正是出於這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議，比如AT91RM9200.
SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基於SPI的設備共有的，它們是SDI（數據輸入），SDO（數據輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。
- SDO – 主設備數據輸出，從設備數據輸入
- SDI – 主設備數據輸入，從設備數據輸出
- SCLK – 時鐘信號，由主設備產生
- CS – 從設備使能信號，由主設備控制
CS: 其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效，這就允許在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。
SDI/SDO/SCLK: 通訊是通過數據交換完成的，這裏先要知道SPI是串行通訊協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基於此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過 SDO線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數據的傳輸。
要註意的是，SCK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基於SPI的設備中，至少有一個主控設備。這樣傳輸的特點：這樣的傳輸方式有一個優點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續傳送至少8位數據，而SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據，也就是說，主設備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。SPI還是一個數據交換協議：因為SPI的數據輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數據的輸入和輸出。不同的SPI設備的實現方式不盡相同，主要是數據改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關器件的文檔。
在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。在多個從設備的系統中，每個從設備需要獨立的使能信號，硬件上比I2C系統要稍微復雜一些。
最後，SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數據。
AT91RM9200的SPI接口主要由4個引腳構成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整個SPI總線的公用時鐘，MOSI、MISO作為主機，從機的輸入輸出的標誌，MOSI是主機的輸出，從機的輸入，MISO 是主機的輸入，從機的輸出。/SS是從機的標誌管腳，在互相通信的兩個SPI總線的器件，/SS管腳的電平低的是從機，相反/SS管腳的電平高的是主機。在一個SPI通信系統中，必須有主機。SPI總線可以配置成單主單從，單主多從，互為主從。
SPI的片選可以擴充選擇16個外設,這時PCS輸出=NPCS,說NPCS0~3接4-16譯碼器,這個譯碼器是需要外接4-16譯碼器，譯碼器的輸入為NPCS0~3，輸出用於16個外設的選擇。
1.2.協議舉例
SPI是一個環形總線結構，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。
假設下面的8位寄存器裝的是待發送的數據10101010，上升沿發送、下降沿接收、高位先發送。
那麽第一個上升沿來的時候 數據將會是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來的時候，sdi上的電平將所存到寄存器中去，那麽這時寄存器=0101010sdi，這樣在 8個時鐘脈沖以後，兩個寄存器的內容互相交換一次。這樣就完成裏一個spi時序。
假設主機和從機初始化就緒：並且主機的sbuff=0xaa，從機的sbuff=0x55，下面將分步對spi的8個時鐘周期的數據情況演示一遍:假設上升沿發送數據
這樣就完成了兩個寄存器8位的交換，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相對於主機而言的。其中ss引腳作為主機的時候，從機可以把它拉底被動選為從機，作為從機的是時候，可以作為片選腳用。根據以上分析，一個完整的傳送周期是16位，即兩個字節，因為，首先主機要發送命令過去，然後從機根據主機的命令準備數據，主機在下一個8位時鐘周期才把數據讀回來。
SPI 總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCK，一條數據輸入線MOSI，一條數據輸出線MISO;用於CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點有:可以同時發出和接收串行數據;可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發送結束 中斷標誌;寫沖突保護;總線競爭保護等。下圖示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式 (實線表示):
SPI 模塊為了和外設進行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協議沒有重大的影響。
- 如果 CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態為低電平；
- 如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用於選擇兩種不同的傳輸協議之一進行數據傳輸。
- 如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數據被采樣；
- 如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數據被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設備時鐘相位和極性應該一致。
補充：
上文中最後一句話：SPI主模塊和與之通信的外設備時鐘相位和極性應該一致。個人理解這句話有2層意思：其一，主設備SPI時鐘和極性的配置應該由外設來決定；其二，二者的配置應該保持一致，即主設備的SDO同從設備的SDO配置一致，主設備的SDI同從設備的SDI配置一致。因為主從設備是在SCLK的控制下，同時發送和接收數據，並通過2個雙向移位寄存器來交換數據。工作原理演示如下圖：
上升沿主機SDO發送數據1，同時從設備SDO發送數據0；緊接著在SCLK的下降沿的時候從設備的SDI接收到了主機發送過來的數據1，同時主機也接收到了從設備發送過來的數據0.
1.3.協議心得
SPI接口時鐘配置心得：
在主設備這邊配置SPI接口時鐘的時候一定要弄清楚從設備的時鐘要求，因為主設備這邊的時鐘極性和相位都是以從設備為基準的。因此在時鐘極性的配置上一定要搞清楚從設備是在時鐘的上升沿還是下降沿接收數據，是在時鐘的下降沿還是上升沿輸出數據。但要註意的是，由於主設備的SDO連接從設備的SDI，從設備的SDO連接主設備的SDI，從設備SDI接收的數據是主設備的SDO發送過來的，主設備SDI接收的數據是從設備SDO發送過來的，所以主設備這邊SPI時鐘極性的配置（即SDO的配置）跟從設備的SDI接收數據的極性是相反的，跟從設備SDO發送數據的極性是相同的。下面這段話是Sychip Wlan8100 Module Spec上說的，充分說明了時鐘極性是如何配置的：
The 81xx module will always input data bits at the rising edge of the clock, and the host will always output data bits on the falling edge of the clock.
意思是：主設備在時鐘的下降沿發送數據，從設備在時鐘的上升沿接收數據。因此主設備這邊SPI時鐘極性應該配置為下降沿有效。
又如，下面這段話是摘自LCD Driver IC SSD1289：
SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.
意思是：從設備SSD1289在時鐘的上升沿接收數據，而且是按照從高位到地位的順序接收數據的。因此主設備的SPI時鐘極性同樣應該配置為下降沿有效。
時鐘極性和相位配置正確後，數據才能夠被準確的發送和接收, 因此應該對照從設備的SPI接口時序或者Spec文檔說明來正確配置主設備的時鐘。
2.SPI協議軟件模擬
2.1.單片機軟件模擬SPI接口—加深理解SPI總線協議
SPI(Serial Peripheral Interfacer 串行外設接口)是摩托羅拉公司推出的一種同步串行通訊接口，用於微處理器臌控制器和外圍擴展芯片之間的串行連接，現已發展成為一種工業標準，目前，各半導體公司推出了大量的帶有SPI接口的具有各種各樣功能的芯片，如RAM，EEPROM，FlashROM，A／D轉換器、D／A轉換器、LED／LED顯示驅動器、I／O接口芯片、實時時鐘、UART收發器等等，為用戶的外圍擴展提供了極其靈活而價廉的選擇。由於SPI總線接口只占用微處理器四個I／O口線，采用SPI總線接口可以簡化電路沒計，節省很多常規電路中的接口器件和I／O口線，提高設計的可靠性。現以 AT89C205l單片機模擬SPI總線操作串行EEPROM 93CA6為例，如圖1所示，介紹利用單片機的I／O口通過軟件模擬SPI總線的實現方法。在這裏，僅介紹讀命令的時序和應用子程序。
2.2.93C46存儲器SPI總線的工作原理
93CA6作為從設備，其SPI接口使用4條I／O口線：串行時鐘線(SK)、輸出數據線DO、輸入數據線DI和高電平有效的從機選擇線CS。其數據的傳輸格式是高位(MSB)在前，低位(LsB)在後。93C46的SPI總線接口讀命令時序如圖2所示。
2.3.軟件模擬SPI接口的實現方法
對於不帶SPI串行總線接口的AT89C2051單片 機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，圖1所示 為AT89C2051單片機與串行EEPROM 93C46的硬件 連接圖，其中，P1．0模擬SPI主設備的數據輸出端 SDO，P1．2模擬SPI的時鐘輸出端SCK，P1．3模擬 SPI的從機選擇端SCS，P1．1模擬SPI的數據輸入 SDI。上電復位後首先先將P1．2(SCK)的初始狀態設置為0(空閑狀態)。
讀操作：AT89C2051首先通過P1．0口發送1位起始位(1)，2位操作碼(10)，6位被讀的數據地址(A5A4A3A2A1A0)，然後通過P1．1口讀1位空位(0)，之後再讀l6位數據(高位在前)。
寫操作：AT89C2051首先通過P1．0口發送1位起始位(1)，2位操作碼(01)，6位被寫的數據地址(A5A4A3A2A1A0)，之後通過P1．0口發送被寫的l6位數據(高位在前)，寫操作之前要發送寫允許命令，寫之後要發送寫禁止命令。
寫允許操作(WEN))：寫操作首先發送1位起始位(1)，2位操作碼(00)，6位數據(11XXXX)。 寫禁止操作(WDS))：寫操作首先發送1位起始位(1)，2位操作碼(00)，6位數據(00XXXX)。 下面介紹用C51模擬SPI的子程序。
1 //首先定義好I/O口
2 sbit SDO=P1^0；
3 sbit SDI=P1^1；
4 sbit SCK=P1^ 2；
5 sbit SCS=P1^3；
6 sbit ACC_7= ACC^7；
7 unsigned int SpiRead(unsigned char add)
8 {
9 unsigned char i；
10 unsigned int datal6；
11 add&=0x3f；/*6位地址*/
12 add |=0x80；/*讀操作碼l0*/
13 SDO=1；/*發送1為起始位*/
14 SCK=0；
15 SCK=1；
16 for(i=0；<8；i++)/*發送操作碼和地址*/
17 {
18 if(add&0x80==1)
19 SDO=1；
20 else
21 SDO=0；
22 SCK=0；/*從設備上升沿接收數據*/
23 SCK=1；
24 add<<= 1；
25 }
26 SCK=1；/*從設備時鐘線下降沿後發送數據，空讀1位數據*/
27 SCK=0；
28 datal6<<= 1;/*讀16位數據*/
29 for(i=0；<16；i++)
30 {
31 SCK= 1；
32 _nop_()；
33 if(SDI==1)
34 datal6|=0x01；
35 SCK =0；
36 datal6< < =1；
37 }
38 return datal6；
39 }
對於不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序是不同的。上述子程序是針對在SCK的上升沿輸入(接收)數據和在下降沿輸出(發送)數據的器件。這些子程序也適用於在串行時鐘)的上升沿輸入和下降沿輸出的其它各種串行外圍接口芯片，只要在程序中改變P1．2(SCK)的輸出電平順序進行相應調整即可。
SPI協議詳解