嵌入式硬件通信接口協(xié)議中的串行通信接口-SPI
本節(jié)繼續(xù)講嵌入式硬件通信接口協(xié)議中的另外一個串行通信接口-SPI。相比于UART串口協(xié)議,SPI又有著其獨特之處。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201812/396060.htm簡介
SPI(全稱SerialPeripheral Interface),串行外設接口。
SPI是串行外設接口(SerialPeripheral Interface)的縮寫。SPI,是一種高速的,全雙工,同步的通信總線,并且在芯片的管腳上只占用四根線,節(jié)約了芯片的管腳,同時為PCB的布局上節(jié)省空間,提供方便,正是出于這種簡單易用的特性,如今越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議,比如AT91RM9200。
--from 百度百科
該接口由摩托羅拉在20世紀80年代中期開發(fā),并已成為事實標準。
--from Wiki
從維基百科查閱的的“事實標準”,在這來科普一下知識盲點:
事實標準是指非由標準化組織制定的,而是由處于技術領先地位的企業(yè)、企業(yè)集團制定(有的還需行業(yè)聯(lián)盟組織認可,如DVD標準需經(jīng)DVD論壇認可),由市場實際接納的技術標準。
--from 百度百科
SPI接口定義了一主多從這樣的一個通信架構,在同一SPI總線上只有一個主機,可以有多個從機。這樣的架構就限制了通信的主動權只能在主機端,主機發(fā)起一次通信,從機做出想要。
信號線
SPI被稱為四線串行總線,其信號線分別有:
SCLK:串行時鐘(主機輸出)
MOSI:主輸出從機輸入或主機輸出從機輸入(主機輸出的數(shù)據(jù))
MISO:主輸入從輸出或主輸入從輸出(從輸出的數(shù)據(jù)輸出)
SS:從機選擇(通常為低電平有效,主機輸出)
信號線命名也是五花八門,以下的命名也是會遇見的:
串口時鐘:
SCLK:SCK
主輸出--->從輸入(MOSI):
SIMO,MTSR - 對應主設備和從設備上的MOSI,相互連接
SDI,DI,DIN,SI - 在從設備上; 連接到主設備上的MOSI,或連接到下面的連接
SDO,DO,DOUT,SO - 在主設備上; 連接到從站上的MOSI,或連接到上面的連接
主輸入<---從輸出(MISO):
SOMI,MRST - 對應主設備和從設備上的MISO,相互連接
SDO,DO,DOUT,SO - 在從設備上; 連接到主設備上的MISO,或連接到下面的連接
SDI,DI,DIN,SI - 主設備; 連接到奴隸上的MISO或上面的連接
從機選擇:
SS:SSEL,CS,CE,nSS,/ SS,SS#
以上容易讓人混淆的名字是SDO、SDI、DOUT、DIN等,這些都需要看具體印在主設備還是從設備上單獨討論。但是一般的還是盡量寫清寫規(guī)范,這樣不容易產(chǎn)生歧義。
SPI作為同步串行接口,可以認為有兩個同步信號,第一個是從機選擇SS信號,告知被選中的從機,準備開始進行SPI通信,第二個是同步時鐘信號SCLK,收發(fā)雙方進行數(shù)據(jù)的交互時,都是基于SCLK的跳變進行逐bit輸出和采樣的。
四根信號線并非全部都需要,根據(jù)工作模式,可以配置成兩線、三線。
在STM32CubeMX工具的配置頁面,可以很清楚看到,配置不同的工作模式時,對應被使能的芯片管腳有何不同:
對比發(fā)現(xiàn),全雙工的四線和三線的區(qū)別是從機選擇信號NSS。這種情況一般是因為SPI總線上只有一主一從的通信架構,從機的NSS信號一直接低電平,不需要做從機選擇。
信號時序
四線SPI接口的時序一般的總是先拉低從機選擇信號線SS,然后輸出SCLK,帶著數(shù)據(jù)MOSI,此時MISO為高阻態(tài)。大致如下如:
一般有SPI接口的器件,在Spec上都會有對應的時序圖,這里分別截取SPI接口FLASH型號為GD25Q32C、SPI接口OLED型號為QG-2832TLBFG04,這兩器件的Spec內(nèi)關于SPI時序部分的介紹,如下兩張截圖:
對比不難發(fā)現(xiàn),時序圖的規(guī)范,定義了各個信號線輸出電平的順序和時延,還定義了時鐘信號跳變沿與數(shù)據(jù)信號的“對齊”,這里的“對齊”實際上就是數(shù)據(jù)的輸出和采樣。
同樣的,這個時序規(guī)范了SPI器件所呈現(xiàn)的SPI接口信號線特性,包括:時鐘上升、下降沿時長;片選與時鐘跳變沿之間的時延;時鐘邊緣與數(shù)據(jù)線保持的時長…
這些時序特性,都在明確了SPI主機與其通信時,要求不超出其定義的范圍,否則從機器件響應不及時而導致通信異常。
不同的器件,對SPI接口的信號時序要求也會不同。第一張簡明的時序圖,而基于這樣的時序圖,SPI接口又可以配置不同的接口配置參數(shù)。
接口配置項
一般在開發(fā)時,接口的可選配置有:接口模式(實際配置的是單、雙工模式選擇)、設備主從模式、數(shù)據(jù)寬度、時鐘極性(CPOL:)、時鐘相位(CPHA)、時鐘速率、數(shù)據(jù)bit位大小端選擇。
接口模式
標準的四線SPI接口,使用的場景是主從機進行數(shù)據(jù)交互的通信,兩方都有數(shù)據(jù)的收發(fā)過程,而在LCD/OLED這樣的SPI接口作為從設備的器件中,就不需要數(shù)據(jù)返回給主機,只需要接收來自主機的控制信息和顯示的數(shù)據(jù)。
基于這樣的使用場景,就可以配置成三線的單工通信,即僅需要從機選擇SS、時鐘SCLK、數(shù)據(jù)輸出MOSI即可。
設備主從模式
這個配置一般需要看芯片是否支持,可將芯片配置成SPI主機或者從機,能更好地集成在項目的系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)寬度
顧名思義,就是發(fā)送數(shù)據(jù)可以配置成8bit、16bit等,這也是根據(jù)芯片而定。
時鐘極性、時鐘相位
這兩者分別是CPOL(Clock Polarity)、CPHA(Clock Phase),極性就是指高低電平,這個定義了SPI總線在空閑狀態(tài)下,時鐘保持高電平還是低電平,因為這個關系到了SPI通信時第一個時鐘跳變沿是上升還是下降沿;相位指的是時鐘的跳變沿,指定了數(shù)據(jù)信號的輸出和采樣如何與時鐘對齊。
這兩個配置,在Wiki和百度百科上都做了非常清晰的解釋,這里截圖引用如下:
時鐘速率
速率選擇定義了時鐘信號線在數(shù)據(jù)傳輸是的翻轉速率,這體現(xiàn)到每個芯片定義的接口時序圖中,即可承受的速率范圍,如果主機設的速率太快,而從機響應過慢會導致通信失敗。
數(shù)據(jù)bit位大小端選擇
數(shù)據(jù)的發(fā)送優(yōu)先bit可配置,從上篇的UART協(xié)議可以知道,UART規(guī)定了數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)bit0,而這個SPI是可配置優(yōu)先發(fā)送bit的,可設置最低位或者最高位。
從FLASH型號為GD25Q32和OLED型號為QG-2832TLBFG04的時序截圖可看到,這兩個器件都是優(yōu)先發(fā)MSB,也就是最高位優(yōu)先。
再對比一款字庫芯片型號為GT21L16S2W的讀取指令:
可見SPI器件普遍采用MSB的發(fā)送優(yōu)先順序。
總結SPI通信接口,一主多從的通信架構,標準模式有四根信號線、依靠選擇信號SS開始通信、時鐘信號SCLK進行逐bit輸出和采樣、可配置的采樣時刻和可選擇的優(yōu)先發(fā)出bit。
參考資料:
《SPI》@百度百科
《SPI》@Wiki
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