SPI全面介绍以及学习心得_spi协议学习心得

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SPI基础介绍

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200.SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线 SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

（1）SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入

（2）SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出

（3）SCLK – 时钟信号，由主设备产生

（4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制

其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO 是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。SPI协议举例

SPI是一个环形总线结构，由（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1；寄存器中的10101010左移一位，后面补入送来的一位未知数x，成了0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将锁存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。

举例：

假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据

脉冲 主机sbuff 从机sbuff sdi sdo

0 10101010 01010101 0 0

1上 0101010x 1010101x 0 1

1下 01010100 10101011 0 1

2上 1010100x 0101011x 1 0

2下 10101001 01010110 1 0

3上 0101001x 1010110x 0 1

3下 01010010 10101101 0 1

4上 1010010x 0101101x 1 0

4下 10100101 01011010 1 0

5上 0100101x 1011010x 0 1

5下 01001010 10110101 0 1

6上 1001010x 0110101x 1 0

6下 10010101 01101010 1 0

7上 0010101x 1101010x 0 1

7下 00101010 11010101 0 1

8上 0101010x 1010101x 1 0

8下 01010101 10101010 1 0

这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。其中引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16 位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。SPI 总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束 中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。

SPI总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式

SPI总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。

SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。

SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图

3、图4所示。

补充：

上文中最后一句话：SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。个人理解这句话有 2层意思：其一，主设备SPI时钟和极性的配置应该由外设来决定；其二，二者的配置应该保持一致，即主设备的SDO同从设备的SDO配置一致，主设备的 SDI同从设备的SDI配置一致。因为主从设备是在SCLK的控制下，同时发送和接收数据，并通过2个双向移位寄存器来交换数据。工作原理演示如下图：

上升沿主机SDO发送数据1，同时从设备SDO发送数据0；紧接着在SCLK的下降沿的时候从设备的SDI接收到了主机发送过来的数据1，同时主机也接收到了从设备发送过来的数据0.SPI协议心得

SPI接口时钟配置心得：

在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求，因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据，是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。但要注意的是，由于主设备的SDO连接从设备的SDI，从设备的SDO连接主设备的SDI，从设备SDI接收的数据是主设备的SDO发送过来的，主设备 SDI接收的数据是从设备SDO发送过来的，所以主设备这边SPI时钟极性的配置（即SDO的配置）跟从设备的SDI接收数据的极性是相反的，跟从设备 SDO发送数据的极性是相同的。

若主设备在时钟的下降沿发送数据，从设备在时钟的上升沿接收数据。因此主设备这边SPI时钟极性应该配置为下降沿有效。

一.SPI总线简介

串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。

SPI 用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（CSK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线CS。当SPI工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。即完成一个字节数据传输的实质是两个器件寄存器内容的交换。主SPI的时钟信号（SCK）使传输同步。其典型系统框图如下图所示。

二.SPI总线主要特点 · 全双工;

· 可以当作主机或从机工作;· 提供频率可编程时钟;· 发送结束中断标志;· 写冲突保护;.总线竞争保护等。

三.SPI总线工作方式

SPI总线有四种工作方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式(实线表示): 四种工作方式时序分别为： 时序详解：

CPOL：时钟极性选择，为0时SPI总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平

CPHA：时钟相位选择，为0时在SCK第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样

工作方式1：

当CPHA=0、CPOL=0时SPI总线工作在方式1。MISO引脚上的数据在第一个SPSCK沿跳变之前已经上线了，而为了保证正确传输，MOSI引脚的MSB位必须与SPSCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，首先将数据上线，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时(下降沿)，下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。

工作方式2： 当CPHA=0、CPOL=1时SPI总线工作在方式2。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的下降沿时捕捉位信号，上升沿时下一位数据上线。

工作方式3：

当CPHA=

1、CPOL=0时SPI总线工作在方式3。MISO引脚和MOSI引脚上的数据的MSB位必须与SPSCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，在同步时钟信号周期开始时(上升沿)数据上线，然后在同步时钟信号的下降沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时(上升沿)，下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。

工作方式4：

当CPHA=

1、CPOL=1时SPI总线工作在方式4。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的上升沿时捕捉位信号，下降沿时下一位数据上线。

四.SPI总线常见错误 1 SPR设定错误

在从器件时钟频率小于主器件时钟频率时，如果SCK的速率设得太快，将导致接收到的数据不正确（SPI接口本身难以判断收到的数据是否正确，要在软件中处理）。

整个系统的速度受三个因素影响：主器件时钟CLK主、从器件时钟CLK从和同步串行时钟SCK，其中SCK是对CLK主的分频，CLK从和CLK主是异步的。要使SCK无差错无遗漏地被从器件所检测到，从器件的时钟CLK从必须要足够快。下面以SCK设置为CLK主的4分频的波形为例，分析同步串行时钟、主时钟和从时钟之间的关系。

图1主从时钟和SCK的关系

如图1所示，当T从

图2主从时钟和SCK的关系

根据以上的分析，SPR和主从时钟比的关系如表1所列。

表1 SPR的设置和主从时钟周期比值之间的关系

在发送数据之前按照表1对SPR进行设置，SPR设定错误可以完全避免。模式错误（MODF）

模式错误表示的是主从模式选择的设置和引脚SS的连接不一致。

器件工作在主模式的时候（MSTR=1），它的片选信号SS引脚必须接高电平。在发送数据的过程中，如果它的SS从高电平跳至低电平，在SS的下降沿，SPI模块将检测到模式错误，对MODF位置1，强制器件从主模式转入从模式（即令MSTR＝0），清空内部计数器counter，并结束正在进行的数据传输，如图 3（a）所示。

对从模式（MSTR=0），在没有数据传送的时候，SS高电平表示从器件未被选中，从器件不工作，MISO输出高阻；在数据传输过程中，片选信号SS必须接低电平，且SS不允许跳变。如果SS从低电平跳到高电平，在SS的上跳沿，SPI模块也将检测到模式错误，清空内部计数器 counter，并结束正在进行的数据传输。直到SS恢复为低电平，重新使SPEN＝1时，才重新开始工作，如图3（b）所示。

图3模式错误的检测 3 溢出错误（OVR）

溢出错误表示连续传输多个数据时，后一个数据覆盖了前一个数据而产生的错误。

状态标志SPIF表示的是数据传输正在进行中，它对数据的传输有较大的影响。主器件的SPIF有效由数据寄存器的空标志SPTE＝0产生，而从器件的 SPIF有效则只能由收到的第一个SCK的跳变产生，且又由于从器件的SPIF和主器件发出的SCK是异步的，因此从器件的传输标志SPIF从相对于主器件的传输标志SPIF主有一定的滞后。如图4所示，在主器件连续发送两个数据的时候将有可能导致从器件的传输标志和主器件下一个数据的传输标志相重叠（图 4中虚线和阴影部分），第一个收到的数据必然被覆盖，第二个数据的收/发也必然出错，产生溢出错误。

图4溢出错误

通过对从器件的波形分析发现，counter＝8后的第一个时钟周期，数据最后一位的传输已经完成。在数据已经收/发完毕的情况下，counter＝8 状态的长短对数据的正确性没有影响，因此可以缩短counter＝8的状态，以避免前一个SPIF和后一个SPIF相重叠。这样，从硬件上避免了这一阶段的溢出错误。

但是，如果从器件工作速度不够快或者软件正在处理其他事情，在SPI接口接收到的数据尚未被读取的情况下，又接收到一个新的数据，溢出错误还是会发生的。此时，SPI接口保护前一个数据不被覆盖，舍弃新收到的数据，置溢出标志OVR＝1；另外发出中断信号（如果该中断允许），通知从器件及时读取数据。偏移错误（OFST）

SPI接口一般要求从器件先工作，然后主器件才开始发送数据。有时在主器件往外发送数据的过程中，从器件才开始工作，或者SCK受到外界干扰，从器件未能准确地接收到8个SCK。如图5所示，从器件接收到的8个SCK其实是属于主器件发送相邻的两个数据的SCK主。这时，主器件的SPIF和从器件的SPIF会发生重叠，数据发生了错位，从器件如果不对此进行纠正的话，数据的接收/发送便一直地错下去。

图5偏移错误 在一个数据的传输过程中，SPR是不允许改变的，即SCK是均匀的，而从图5可以看出，从器件接收到的8个SCK并不均匀，它们是分别属于两个数据的，因此可以计算SCK的占空时间来判断是否发生了偏移错误。经分析，正常时候SCK＝1时的时钟周期数n的取值满足如下关系：

但由于主从时钟之间是异步的，并且经过了取整，所以正常时候SCK＝1时的时钟周期计数值COUNT应满足：

比如在图5中，COUNT的最大值COUNT(max)＝2或者1，都可认为是正常的。但当出现COUNT(max)＝8时，可以判定出现了偏移错误。在实际设计中，先记录下第一个COUNT(max)的值，如果后面又出现与记录值相差1以上的COUNT(max)出现，可知有偏移错误OFST 发生。SPI接口在“不均匀”的地方令SPIF＝1，然后准备等待下一个数据的第一个SCK。其中COUNT的位数固定为8位，为了避免溢出时重新从00H开始计数，当计数达到ffH时停止计数。其他错误

设定不当，或者受到外界干扰，数据传输难免会发生错误，或者有时软件对错误的种类判断不清，必须要有一种方法强制SPI接口从错误状态中恢复过来。在 SPI不工作，即SPEN＝0的时候，清除SPI模块内部几乎所有的状态（专用寄存器除外）。如果软件在接收数据的时候，能够发现数据有错误，无论是什么错误，都可以强制停止SPI的工作，重新进行数据传输。例如，在偏移错误（OFST）中，如果SPR2、SPR1和SPR0的设置适当，也可以使SCK显得比较“均匀”。SPI接口硬件本身不可能检测到有错误，若用户软件能够发现错误，这时就可以强制停止SPI的传输工作，这样就可以避免错误一直持续下去。

在应用中，如果对数据的正确性要求较高，除了要在软件上满足SPI接口的时序要求外，还需要在软件上作适当的处理。

五.设计SPI总线控制器 目前的项目中使用了SPI总线接口的FLASH存储器存储图像数据。FLASH的SPI总线频率高达66M，但MCU的频率较低，晶振频率7.3728M，SPI最大频率为主频1/2。对于320*240*16的图像读取时间为333ms，而且还忽略了等待SPI传输完成、写显存、地址坐标设定等时间。实际测试约为1s。成为GUI设计的极大瓶颈。由于TFT驱动是自己FPGA设计的，资源尚有余量，决定把SPI控制器（主）及写图像部分逻辑放入FPGA中用硬件完成。

首先接触到的是SPI的SCK时钟频率问题。FPGA的频率是48M，未使用PLL。能否以此频率作为SCK频率呢？要知道所有的MCU提供的SPI频率最大为主频的1/2！为什么呢？查过一些资料后发现，SPI从机接收数据并不是以SCK为时钟的，而是以主频为时钟对SCK 和MISO进行采样，由采样原理得知SCK不能大于1/2主频，也就有了MCU提供最大master频率是1/2主频，最大slaver频率是1/4主频。FPGA在只作为主机时能否实现同主频一样频率的SCK呢？？答案貌似是肯定的！但我还是有点担心，用组合逻辑控制SCK会不会出现较大毛刺影响系统稳定性呢？一切的一切待我完成再来解答好了~