Protocol-SPI协议

说明.文章摘自：SPI协议及其工作原理浅析 http://bbs.chinaunix.net/thread-1916003-1-1.html

一、概述。

　　SPI,Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口，是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。SPI总线在物理上是通过接在外围设备微控制器（PICmicro）上面的微处理控制单元（MCU）上叫做同步串行端口（Synchronous Serial Port）的模块（Module）来实现的，它允许MCU以全双工的同步串行方式，与各种外围设备进行高速数据通信。

　　SPI主要应用在EEPROM，Flash，实时时钟（RTC），数模转换器（ADC）、数字信号处理器（DSP）以及数字信号解码器之间。他在芯片中只占用四根管脚（Pin）用来控制以及数据传输，节约了芯片的pin数目，同时为PCB在布局上节省了空间。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片上都集成了SPI技术。

二、特点

　　1、采用主-从模式（Master-Slave）的控制方式

　　　　SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备（Master）来控制从设备（Slave）。一个Master设备可以通过提供Clock以及对Slave设备进行片选（Slave Select）来控制多个Slave设备，SPI协议还规定Slave设备的Clock由Master设备通过SCK管脚提供给Slave设备，Slave设备本身不能产生或控制Clock，没有Clock则Slave设备不能正常工作。

　　2、采用同步方式（Synchronous）传输数据

　　　　Master设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲（Clock Pulse），时钟脉冲组成了时钟信号（Clock Signal），时钟信号通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）控制着两个SPI设备之间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样，来保证数据在两个设备之间是同步传输的。

　　3、数据交换（Data Exchanges）

　　SPI设备之间的数据传输之所以又被称为数据交换，是因为SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅充当一个“发送者（Transmitter）”或者“接收者（Receiver）”。在每个Clock周期内，SPI设备都会发送并接受一个bit大小的数据，相当于该设备有一个bit大小的数据被交换了。

　　一个Slave设备要想能够接受到Master设备发过来的控制信号，必须在此之前能够被Master设备进行访问（Access）。所以，Master设备必须首先通过SS/CS pin 对 Slave 设备进行片选，把想要访问的Slave设备选上。

　　在数据传输过程中，每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样。如果之前接收到的数据没有被读取，那么这些已经接受完成的数据将有可能会被丢弃，导致SPI物理模块最终失效。因此，在程序中一般都会在SPI传输完数据后，去读取SPI设备里的数据，即使这些数据在我们的程序里是无用的（称为Dummy Data）。

三、工作机制

　　1、概述

　　

　　上图只是对SPI设备间通信的一个简单的描述，下面就来解释一下图中所示的几个组件（Module）：

　　SSPBUF，Synchronous Serial Port Buffer，泛指SPI设备里面的内部缓冲区，一般在物理上是以FIFO的形式，保存传输过程中的临时数据；

　　SSPSR，Synchronous Serial Port Register，泛指SPI设备里面的移位寄存器（Shift Register），它的作用是根据设置好的数据位宽（bit-width）把数据移入或者移出SSPBUF；

　　Controller，泛指SPI设备里面的控制寄存器，可以通过配置它们来设置SPI总线的传输模式。

　　通常情况下，我们只需要对上图所描述的四个管脚（pin）进行编程即可控制整个SPI设备之间的数据通信。

　　SCK，Serial Clock，主要的作用是Master设备往Slave设备传输时钟信号，控制数据交换的时机以及速率。

　　SS/CS，Slave Select/Chip Select，用于Master设备片选Slave设备，是被选中的Slave设备能够被Master设备所访问；

　　SDO/MOSI, Serial Data Output/Master Out Slave In, 在 Master 上面也被称为 Tx-Channel, 作为数据的出口, 主要用于 SPI 设备发送数据;

　　SDI/MISO, Serial Data Input/Master In Slave Out, 在 Master 上面也被称为 Rx-Channel, 作为数据的入口, 主要用于SPI 设备接收数据;

　　

　　SPI 设备在进行通信的过程中, Master 设备和 Slave 设备之间会产生一个数据链路回环(Data Loop), 就像上图所画的那样, 通过 SDO 和 SDI 管脚, SSPSR 控制数据移入移出 SSPBUF, Controller 确定 SPI 总线的通信模式, SCK 传输时钟信号.

　　2、Timing

　　

　　上图通过 Master 设备与 Slave 设备之间交换1 Byte 数据来说明 SPI 协议的工作机制.

　　首先,  在这里解释一下两个概念:

　　CPOL: 时钟极性, 表示 SPI 在空闲时, 时钟信号是高电平还是低电平. 若 CPOL 被设为 1, 那么该设备在空闲时 SCK 管脚下的时钟信号为高电平. 当 CPOL 被设为 0 时则正好相反.

　　CPHA: 时钟相位, 表示 SPI 设备是在 SCK 管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样, 还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样. 若 CPHA 被设置为 1, 则 SPI 设备在时钟信号变为下降沿时触发数据采样, 在上升沿时发送数据. 当 CPHA 被设为 0 时也正好相反.

　　上图里的“Mode 1,1”说明了本例使用的SPI数据传输模式被设置成CPOL = 1，CPHA = 1。这样，在一个Clock周期内，每个单独的SPI设备都能以全双工（Full-Duplex）的方式，同时发送和接受1bit数据，即相当于交换了1bit大小的数据。如果SPI总线的Channel-Width 被设置成Byte，表示SPI总线上每次数据传输的最小单位为Byte，那么挂载在该SPI总线的设备每次数据传输的过程至少需要8个Clock周期（忽略设备的物理延迟）。因此，SPI总线的频率越快，Clock周期越短，则SPI设备间数据交换的速率就越快。

　　3、SSPSR。

　　

　　SSPSR是SPI设备内部的移位寄存器（Shift Register）。它的主要作用是根据SPI时钟信号状态，往SSPBUF里移入或者移出数据，每次移动的数据大小由Bus-Width以及Channel-Width所决定。

　　Bus-Width的作用是指定地址总线到Master设备之间数据传输的单位。

　　例如，我们想要往Master设备里面的SSPBUF写入16Byte大小的数据：首先，给Master设备的配置寄存器设置Bus-Width 为Byte；然后往Master设备的Tx-Data移位寄存器在地址总线的入口写入数据，每次写入1Byte大小的数据（使用writeb函数）；写完1Byte数据之后，Master设备里面的Tx-Data移位寄存器会自动把从地址总线传来的1Byte数据移入SSPBUF里；上述动作一共需要重复执行16次。

　　Channel-Width的作用是指定Master设备与Slave设备之间数据传输的单位。

　　与Bus-Width相似，Master设备内部的移位寄存器会依据Channel-Width自动把数据从Master-SSPBUF里通过Master-SDO管教搬运到Slave设备里的Slave-SDI引脚，Slave-SSPSR再把每次接收的数据移入Slave-SSPBUF里。

　　通常情况下, Bus-Width 总是会大于或等于 Channel-Width, 这样能保证不会出现因 Master 与 Slave 之间数据交换的频率比地址总线与 Master 之间的数据交换频率要快, 导致 SSPBUF 里面存放的数据为无效数据这样的情况。

　　4、SSPBUF

　　

　　我们知道, 在每个时钟周期内, Master 与 Slave 之间交换的数据其实都是 SPI 内部移位寄存器从 SSPBUF 里面拷贝的. 我们可以通过往 SSPBUF 对应的寄存器 (Tx-Data / Rx-Data register) 里读写数据, 间接地操控 SPI 设备内部的 SSPBUF。

　　例如, 在发送数据之前, 我们应该先往 Master 的 Tx-Data 寄存器写入将要发送出去的数据, 这些数据会被 Master-SSPSR 移位寄存器根据 Bus-Width 自动移入 Master-SSPBUF 里, 然后这些数据又会被 Master-SSPSR 根据 Channel-Width 从 Master-SSPBUF 中移出, 通过 Master-SDO  管脚传给 Slave-SDI 管脚,  Slave-SSPSR 则把从  Slave-SDI 接收到的数据移入 Slave-SSPBUF 里.  与此同时, Slave-SSPBUF 里面的数据根据每次接收数据的大小(Channel-Width), 通过 Slave-SDO 发往 Master-SDI, Master-SSPSR 再把从 Master-SDI 接收的数据移入 Master-SSPBUF.在单次数据传输完成之后, 用户程序可以通过从 Master 设备的 Rx-Data 寄存器读取 Master 设备数据交换得到的数据。

　　5、Controller

　　

　　Master 设备里面的 Controller 主要通过时钟信号(Clock Signal)以及片选信号(Slave Select Signal)来控制 Slave 设备. Slave 设备会一直等待, 直到接收到 Master 设备发过来的片选信号, 然后根据时钟信号来工作.

　　Master 设备的片选操作必须由程序所实现. 例如: 由程序把 SS/CS 管脚的时钟信号拉低电平, 完成 SPI 设备数据通信的前期工作; 当程序想让 SPI 设备结束数据通信时, 再把 SS/CS 管脚上的时钟信号拉高电平.