深入理解串行外设接口(SPI)总线及应用

 串行外设接口 (SPI) 总线是一个工作在全双工模式下的同步串行数据链路。它可用于在单个主控制器和一个或多个从设备之间交换数据。其简单的实施方案只使用四条支持数据与控制的信号线(图 1)：

虽然表 1 中的引脚名称来自摩托罗拉开发的 SPI 标准，但具体集成电路的 SPI 端口名称往往与图 1 中所示的不同。

图 1：基本 SPI 总线

表 1：SPI 引脚名称分配

SPI 数据速率一般在 1 到 70MHz 的范围内，字长为从 8 位及 12 位到这两个值的倍数。

数据传输一般由数据交换构成。在主控制器向从设备发送数据时，从设备也向主控制器发送数据。因此主控制器的内部移位寄存器和从设备都采用环形设置(图 2)。

图 2：双移位寄存器形成一个芯片间的环形缓存器

在数据交换之前，主控制器和从设备会将存储器数据加载至它们的内部移位寄存器。收到时钟信号后，主控制器先通过 MOSI 线路时钟输出其移位寄存器的 MSB。同时从设备会读取位于 SIMO 的主控器第一位元，将其存储在存储器中，然后通过 SOMI 时钟输出其 MSB。主控制器可读取位于 MISO 的从设备第一位元，并将其存储在存储器中，以便后续处理。整个过程将一直持续到所有位元完成交换，而主控器则可让时钟空闲并通过 /SS 禁用从设备。

除设置时钟频率外，主控制器还可根据数据配置时钟极性和相位。这两个分别称为 CPOL 与 CPHA 的选项可实现时钟信号 180 度的相移以及半个时钟周期的数据延迟。图 3 是相应的定时图。

图 3：时钟极性与相位的定时图

CPOL = 0 时，时钟空闲在逻辑 0 位置上：

如果 CPHA = 0，数据在 SCK 的上升沿读取，在下降沿变化。

如果 CPHA = 1，数据在 SCK 的下降沿读取，在上升沿变化。

CPOL = 1 时，时钟在逻辑为高时空闲：

如果 CPHA = 0，数据在 SCK 的下降沿读取，在上升沿变化。

如果 CPHA = 1，数据在 SCK 的上升沿读取，在下降沿变化。

在 SPI 中，主控制器可与单个或多个从设备通信。如果是一个单从设备，从设备选择信号可连接至从设备的本地接地电位，实现永久接入。对使用多个从设备的应用，可使用两种配置：独立从设备与菊花链从设备(图 4)。

图 4：主控制器与独立从设备(左)及菊花链从设备通信(右)

要与从设备单独通信，主控制器必须提供多重从设备选择信号。该配置通常用于必须单独访问多个模数转换器 (ADC) 及数模转换器 (DAC) 的数据采集系统中。

菊花链从设备只需要主控制器提供一个从设备选择信号，因为这种配置要求所有从设备同时启用，以确保数据不间断地流经该链路中的所有移位寄存器。典型应用是工业 I/O 模块中的级联多通道输入串行器与输出驱动器。