SPI接口扫盲 SPI定义/SPI时序(CPHA CPOL)

SPI接口扫盲

 

douqingl@gmail.com

 

为何要写这篇文档？
百度上找出来的SPI接口中文描述都说的太过简略，没有一篇文档能够详尽的将SPI介绍清楚的。wikipedia英文版[注释1]中，SPI接口介绍的很好，但是毕竟是英文版，读起来终究不如母语舒服，所以我结合自己的工作经验，对其进行了汉化、整理。

个人SPI接口相关经验：

1. 参与过国产某芯片SPI接口样品验证、SPI接口服务DEMO开发（C语言）。

2. 使用国产某芯片GPIO接口模拟SPI接口（C语言）。

3. 使用STM32芯片的SPI MASTER/SLAVE（C语言）。

 

SPI接口是什么？

SPI ( Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步、串行通讯接口规格，常用于短距离通讯，主要是在嵌入式系统中。此接口由Mototola公司推出，已成为一种事实标准（没有统一的协议规范，但是基于其广泛的使用，根据实际使用中大家通用的习惯形成了一个类似行规的标准）。

SPI典型的应用场景包括SD卡（SD接口中包含SPI接口）和液晶显示。

SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线。分为主（master）、从（slave）两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个（且只能是一个）maser（主设备），一个或多个slave（从设备）。

SPI接口的读写操作，都是由master发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选（slave select）信号进行管理。

硬件开发人员设计、提供的SPI接口，其实只是一个数据读写通道 ，具体读写数据所代表的意义需要在应用中定义。不像SD接口那样，对于命令有着明确详细的定义。

SPI接口都包含哪些IO线？

除了供电、接地两个模拟连接以外，SPI总线定义四组数字信号：

    - 接口时钟SCLK（Serial Clock，也叫SCK、CLK），master输出至slave的通讯时钟。

    - MOSI（ Master Output Slave Input，也叫SIMO、MTSR、DI、DIN、SI）自master输出至slave的数据线。

    - MISO （Master Input Slave Output，也叫SOMI、MRST、DO、DOUT、SO）自slave输出至master的数据线。

    - SS（Slave select，也叫nSS、CS、CSB、CSN、EN、nSS、STE、SYNC）master对slave的片选信号，自master输出至slave，低有效。

注释：

    - 两条数据线与SCLK的时序关系详见下文。

    - SPI接口的片选信号一般都是低有效的，尽管有的地方命名为SS/CS而有的地方命名为nSS/nCS。（当然了，对于一个合格的硬件开发者，低电平有效的信号都应该在命名时加上个_n）

 

SPI接口如何连接？

在master/slave上，都能找到SCLK/MISO/MOSI/SS四个接口。

当只有一个maser、一个slave时，将master与slave上名字相同的4对接口两两互联，即可完成了接口的互联。如下图所示：

注释：

    - 某些芯片产品上，对SPI两条数据线的命名为SDO/SDI。此时需要将master的SDO连接到slave的SDI，将master的SDI连接到slave的SDO。

    - 当系统中只有一个SLAVE时，且SLAVE的SS是低电平有效时，Slave的SS接口直接接地也不影响通讯。当然了，实际应用中，如果要考虑到功耗等因素，处理起来或许就不那么简单了，具体问题具体分析。

    - 有的芯片SPI接口的SS信号，对电平敏感，通讯前确保SS是低电平就好；而有的SPI芯片的SS信号是下降沿敏感的。比如Maxim MAX1242 ADC，开始通讯前，需要SS信号有一个高→低的翻转。 

    - 多数SLAVE的MISO接口有三态输出（高电平、低电平、高阻），当SS无效时，它们的MISO信号输出高阻态（啥都没接的状态）。若SLAVE的MISO接口不支持高阻输出，则无法应用于多SLAVE的SPI系统。

当存在一个master、多个slave时（注意，当master上有n个SS时，对应可以连接n个slave），连接方式如下图所示，注意SCLK/MOSI/MISO三个接口采取复用模式连接，不同SS单独连接对应的slave，SS信号绝不可复用：

SPI接口如何进行数据传输？

SPI接口是一种典型的全双工接口，通过同步时钟SCLK的脉冲将数据一位位地传送。所以在开始通讯前，master首先要配置接口时钟（确定其通讯频率是SLAVE可以支持的，通常为数兆赫兹）。

当MASTER片选一个SLAVE时，每向SLAVE发送一个周期的SCLK信号，都会有1bit的数据从MOSI发送至slave，与此同时，slave每收到一个周期的SCLK信号，都会从MISO向master发送1bit的数据。这种全双工通讯，是由硬件保证的（MASTER与HOST中各有一个移位寄存器作为收发数据的缓存）。

SPI是一个很开放的接口，指令解析、帧大小、LSB/MSB(Least Significant Bit/Most Significant Bit)等规则并没有一个完善的定义，不同的SPI设备在这些方面的定义会有不同：

不同于SD等接口的严谨的command定义，SPI接口的master与slave之间的命令、数据解析都可以自定义，只要保证master与slave之间采用相同的规则就好。

不同SPI芯片，每次连续传输的数据量的大小（取决于MASTER、SLAVE中缓存最小的那个）常常不同。当一次连续通讯的的数据量超过帧的大小时，会出现数据丢失的现象。所以，每完成1帧的传输后，MASTER会停止接口时钟输出，master、slave读取、处理收到的数据，然后进行下一帧的传输。

在SPI接口协议中，并没有中断的定义，但是实际应用中，我们可以使用接口中断提高接口通讯速度。比如SLAVE是负责数据数据加解密的，MASTER下发一组明文给SLAVE加密，如果此时有个SLAVE输出到MASTER的中断信号，那么MASTER可以清楚的知道何时SLAVE完成了数据处理并读出处理结果，不必通过查询一遍遍的等待结束。

SPI接口的变形

以上我们讲的SPI接口，一个时钟周期可以进行全双工的1bit数据通讯。实际应用中，如果对于全双工的需求不高，而且期望提高通讯速度的话，SPI有两种常见变形可供选用:

一、 两线模式的SPI

CLK与SS信号保持不变，MOSI与MISO则变形为DATA_0与DATA_1。

DATA_0与DATA_1是输入输出状态由MASTER配置的数据管脚：当MASTER打算向SLAVE中写数据时，处于输出状态；当MASTER打算从SLAVE读数据时，处于输入状态。

二、 四线模式的SPI

CLK与SS信号保持不变，MOSI与MISO删除，新增四条数据线DATA0~3。

DATA0_~3是输入输出状态由MASTER配置的数据管脚：当MASTER打算向SLAVE中写数据时，处于输出状态；当MASTER打算从SLAVE读数据时，处于输入状态。

这样一来，大大提高了单方向上数据传输的速度，但是增加了接口资源的开销。

SPI接口时序配置

此部分参考crifan的博客。

SPI的接口时序配置由两个参数决定：

1、 CPOL，clock polarity，译作时钟极性。

2、 CPHA，clock phase，译作时钟相位。

CPOL具体说明：

CPOL用于定义时钟信号在空闲状态下处于高电平还是低电平，为1代表高电平，0为低电平。

知道这些就好，很简单的一个概念 。如果存在疑问，结合下面的时序图理解就好。

CPHA具体说明：

首先，在同步接口中，肯定存在一个接口时钟，用来同步采样接口上数据的。

CPHA就是用来定义数据采样在第几个边沿的。为1代表第二个边沿采样，为0代表第一个边沿采样。

以上两个参数，总共有四种组合：

MODE 0: CPOL=0, CPHA=0 ，CLK限制状态为低电平，第一个边沿采样，所以是上升沿采样。

MODE 1: CPOL=0, CPHA=1，CLK限制状态为低电平，第二个边沿采样，所以是下降沿采样。

MODE 2: CPOL=1, CPHA=0 ，CLK限制状态为高电平，第一个边沿采样，所以是下降沿采样。

MODE 3: CPOL=1, CPHA=1 ，CLK限制状态为高电平，第二个边沿采样，所以是上升沿采样。

具体见下图。

注意，假设是上升沿采样，那么MISO/MOSI就应该上升沿翻转，这样错开半个时钟周期以保证建立时间保持时间。

忘了这个的建议去翻翻数电。

 

由于SPI缺乏一个统一的规范，所以在时序描述上存在一定的差异性。CPOL与CPHA的定义，有些芯片DATASHEET中描述与通用的规则是相反的，所以选型时候一定要以DATASHEET中的时序图为准。

另外，某些芯片上，关于SPI接口时序不使用CPOL/CPHA进行定义，而是使用CKP和CKE进行定义，在此不再详细解释这两个概念的意义（比较绕，这些参数看多了特容易混淆），建议直接参考时序图。

关于SPI时序的说明，之前我参考了crifan的博客，其中还有个问题待解决：

对于CPOL和CPHA这四种模式，不同的模式之间，相对来说有何优缺点，比如是否哪种模式更稳定，数据更不容易出错等等，还是不清楚。

我这里给出我的思考结果：

首先是CPOL的选择，我们从芯片设计角度开始谈这个问题。首先，如果寄存器赋值时没有特殊要求必须是下降沿触发赋值时，我们会选择上升沿触发，且时钟关闭时固定为低电平。这样一来，保证了时钟关闭时漏电最小（低电平下没有电压差，减小了漏电流IDDQ，同时上升沿触发也保证了来了时钟能够立刻采样信号，快速响应）。当然了，如果要求寄存器下降沿采样，那么时钟关闭时固定为高电平了。

借用此思想，对于CPOL的选择，如果配置可以选择的话，我建议参考MASTER与SLAVE接口IO的配置参数。如果两边都是上拉，那么建议选择CPOL为1，这样一来，当我们配置CPOL时，不会在接口上制造出一个下降沿（单SLAVE的应用场景下，SLAVE的片选有时会直接连接GND，而此时MASTER本不想通讯但是传入了一个下降沿，SLAVE那边区分不出来这是不是有效通讯）；而且这样在IO上的漏电也能有效控制（没有电势差，没有电流）。如果一边上拉一边下拉，如果从功耗的角度考虑，建议选择下拉电阻更小（漏电流更大）的IO的上下拉配置进行CPOL赋值。

关于CPHA的选择，我个人更倾向于使用CPHA配置为1的状态。此配置下，第一个时钟沿驱动数据数据输出，第二个时钟沿驱动数据采样，比较符合硬件上的使用习惯。

当然了，这都是纸上谈兵，很多时候时序类型的选择还要结合芯片硬件条件、功能实现需求等问题考虑。

注释1：维基百科上SPI接口的详细描述http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus