深入理解串行外設接口(SPI)總線及應用

　　串行外設接口(SPI)總線是一個工作在全雙工模式下的同步串行數(shù)據(jù)鏈路。它可用于在單個主控制器和一個或多個從設備之間交換數(shù)據(jù)。其簡單的實施方案只使用四條支持數(shù)據(jù)與控制的信號線(圖1)：

　　雖然表1中的引腳名稱來自摩托羅拉開發(fā)的SPI標準，但具體集成電路的SPI端口名稱往往與圖1中所示的不同。

　　圖1：基本SPI總線

　　表1：SPI引腳名稱分配

　　SPI數(shù)據(jù)速率一般在1到70MHz的范圍內(nèi)，字長為從8位及12位到這兩個值的倍數(shù)。

　　數(shù)據(jù)傳輸一般由數(shù)據(jù)交換構(gòu)成。在主控制器向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，從設備也向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。因此主控制器的內(nèi)部移位寄存器和從設備都采用環(huán)形設置(圖2)。

　　圖2：雙移位寄存器形成一個芯片間的環(huán)形緩存器

　　在數(shù)據(jù)交換之前，主控制器和從設備會將存儲器數(shù)據(jù)加載至它們的內(nèi)部移位寄存器。收到時鐘信號后，主控制器先通過MOSI線路時鐘輸出其移位寄存器的MSB.同時從設備會讀取位于SIMO的主控器第一位元，將其存儲在存儲器中，然后通過SOMI時鐘輸出其MSB.主控制器可讀取位于MISO的從設備第一位元，并將其存儲在存儲器中，以便后續(xù)處理。整個過程將一直持續(xù)到所有位元完成交換，而主控器則可讓時鐘空閑并通過/SS禁用從設備。

　　除設置時鐘頻率外，主控制器還可根據(jù)數(shù)據(jù)配置時鐘極性和相位。這兩個分別稱為CPOL與CPHA的選項可實現(xiàn)時鐘信號180度的相移以及半個時鐘周期的數(shù)據(jù)延遲。圖3是相應的定時圖。

　　圖3：時鐘極性與相位的定時圖

　　CPOL = 0時，時鐘空閑在邏輯0位置上：

　　如果CPHA = 0，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿讀取，在下降沿變化。

　　如果CPHA = 1，數(shù)據(jù)在SCK的下降沿讀取，在上升沿變化。

　　CPOL = 1時，時鐘在邏輯為高時空閑：

　　如果CPHA = 0，數(shù)據(jù)在SCK的下降沿讀取，在上升沿變化。

　　如果CPHA = 1，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿讀取，在下降沿變化。

　　在SPI中，主控制器可與單個或多個從設備通信。如果是一個單從設備，從設備選擇信號可連接至從設備的本地接地電位，實現(xiàn)永久接入。對使用多個從設備的應用，可使用兩種配置：獨立從設備與菊花鏈從設備(圖4)。

　　圖4：主控制器與獨立從設備(左)及菊花鏈從設備通信(右)

　　要與從設備單獨通信，主控制器必須提供多重從設備選擇信號。該配置通常用于必須單獨訪問多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

　　菊花鏈從設備只需要主控制器提供一個從設備選擇信號，因為這種配置要求所有從設備同時啟用，以確保數(shù)據(jù)不間斷地流經(jīng)該鏈路中的所有移位寄存器。典型應用是工業(yè)I/O模塊中的級聯(lián)多通道輸入串行器與輸出驅(qū)動器。