SPI总结

1.前言

1.1 SPI简介

SPI全称Serial Peripheral Interface，串行外设接口，是一种用于连接外设的全双工通信总线。主机和从机支持一对一或一对多通讯连接。

图1 SPI物理层通讯连接

表1 Signal description

1.2 SPI特征

串行，每个时钟周期只传输1bit数据；

同步，同步时钟由主机提供，SPI总线上的数据读写使用该时钟同步；

全双工，主机和从机之间数据通信使用两根独立的数据线。

2. SPI的用途

主要用于ADC、 LCD 等设备与 MCU 间的通讯，常用来传递MCU的控制信息。

3. SPI原理

从起始信号/停止信号和数据有效性（采样点，读数据时机）的角度出发，可以将SPI通讯分为4种通讯模式，即其区别在于总线空闲时的时钟状态或数据采样时机。由此，衍生出以下定义：

（1）时钟极性（CPOL）：空闲状态时，SCK (Serial Clock)的电平状态；

（2）时钟相位(CPHA)：定义可以在时钟边沿进行采样，并区分奇数边沿采样和偶数边沿采样两种情况。

表2 SPI通讯模式

模式	CPOL	CPHA	SCK空闲状态	（触发）写数据时机	采样（读）时机
0	0	0	低电平	下降沿	奇数边沿，上升沿
1	0	1	低电平	上升沿	偶数边沿，下降沿
2	1	0	高电平	上升沿	奇数边沿，下降沿
3	1	1	高电平	下降沿	偶数边沿，上升沿

（1）Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0)：在SCLK的上升沿采样数据，数据在SCLK的下降沿改变；

（2）Mode 1 (CPOL=0, CPHA=1)：在SCLK的下降沿采样数据，数据在SCLK的上升沿改变；

（3）Mode 2 (CPOL=1, CPHA=0)：在SCLK的下降沿采样数据，数据在SCLK的上升沿改变；

（4）Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1)：在SCLK的上升沿采样数据，数据在SCLK的下降沿改变；

（a）

（b）

图3 CPOL/CPHA示例

从图3（a）可以看出，CPHA = 0的模式，主要用于开始信号发出后，数据线上的数据已准备好，从机必须立即（第一个时钟边沿）读取的情况。也就是说，片选信号拉低后，总线上的数据是有效的，即作为发送出去的第一个bit数据。而且，最后一次时钟边沿（编号16），其数据并没有被采样，即是一个无效值。

反过来，（b）中为CPHA = 1的情形，片选信号拉低后，总线上的数据是无效数据，需要在第一个时钟边沿先写入数据后，并在下一个时钟边沿进行采样。

在实际应用中，主设备和从设备必须配置为相同的模式才能正确通信。例如，如果主设备配置为Mode 0，那么从设备也必须配置为Mode 0，以确保数据在正确的时钟边沿被采样。

4. SPI规格

图4 tircore queued SPI概览

（1）可配置的时钟频率范围（时钟分频）；

（2）主从设备通讯时，通讯速率受限于低速率设备，即CLK = min(clk_master,clk_slave);

（3）CS引脚数量，限制了作为主机时最大可连接的从机数量；

（4）可配置的数据宽度，通常支持8bit，16bit，32bit，tricore甚至支持2~32bit全范围；

（5）收发缓冲区深度，大于1时通常为队列模式（queue，fifo)；

（6）中断配置；

① 接收缓冲区有新数据，可配触发中断；

② 发送缓冲区不满，即有可用空间，可写入新数据时，可触发中断；

③ 错误上报中断：

- 接收缓冲区上溢出中断（错误处理，数据overflow）；

- 接收缓冲区下溢出中断（错误处理，读空）；

- 数据校验错误（ecc，奇偶校验等）；

- 波特率错误，传输错误等；

（7）可配置数据收发方式

① 轮询模式；

② 中断模式；

③ DMA模式；

（8）回环模式（loop back）；

（9）复位模式

（1）复位SPI状态机；

（2）复位整个SPI模块(both FIFOs, all registers and the state machine)；

（10）调试支持（主从分开讨论）

① 调试模式模块挂起位，即调试暂停程序运行时（例如断点命中），应可配置SPI是否停止运行；

② 调试模式下的读操作，应保证不影响任何状态位（包括正常工作模式下的读清零标志位，FIFO的内容及读写指针等），即不给程序正常执行带来副作用；

③ 调试期间的写操作；

5. SPI部分主要时序参数

表3 SPI时序参数描述

参数	描述
SckHighPulseDuration	SCK高电平脉冲时长；
SckLowPulseDuration	SCK低电平脉冲时长
SckPeriod	SckHighPulseDuration + SckLowPulseDuration;
DinSetupTime	接收数据采样时刻前数据已有效（stable）时长；
DinHoldTime	接收数据采用时刻后数据保持有效的时长；
DoutHoldTime	发送数据写数据时刻后数据保持有效的时长；