SPI原理超详细讲解
关键要点
- SPI（串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的通信协议，主要用于微控制器与外围设备之间的数据交换。
- 它使用四根信号线（MISO、MOSI、SCK、CS），支持主从模式，主设备控制通信。
- SPI有四种通信模式，取决于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA），需根据设备支持的模式配置。
- 研究表明，SPI适合短距离、高速数据传输，如EEPROM、FLASH和传感器，但无流控制可能导致数据丢失。
SPI原理概述
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由摩托罗拉公司定义的一种同步串行通信协议，广泛用于嵌入式系统中微控制器与外围设备（如存储器、AD转换器、传感器等）之间的数据交互。以下是SPI的基本工作原理：
- 通信模式：SPI采用主从模式，主设备（Master）提供时钟信号（SCK），控制从设备（Slave）的通信。从设备无法自行生成时钟，必须依赖主设备。
- 信号线：SPI通常使用四根线：
- MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出。
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入。
- SCK（Serial Clock）：串行时钟，由主设备生成。
- CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选信号，主设备通过拉低选择从设备。
- 数据传输：SPI是全双工的，数据通过移位寄存器逐位传输，每次传输一个字节（8位），主设备和从设备同时发送和接收数据。
通信模式与配置
SPI支持四种通信模式，基于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）：
- 模式0：CPOL=0, CPHA=0，空闲低电平，数据在上升沿采样，下降沿输出。
- 模式1：CPOL=0, CPHA=1，空闲低电平，数据在下降沿采样，上升沿输出。
- 模式2：CPOL=1, CPHA=0，空闲高电平，数据在下降沿采样，上升沿输出。
- 模式3：CPOL=1, CPHA=1，空闲高电平，数据在上升沿采样，下降沿输出。
不同设备支持的模式不同，例如MCP2515支持模式0和3，通常通过软件配置为模式0。配置时需参考设备数据手册。
数据传输过程
SPI传输过程如下：
- 主设备拉低CS信号，选择从设备。
- 主设备生成SCK时钟信号，开始传输。
- 每个时钟周期，主设备通过MOSI发送1位数据，从设备通过MISO发送1位数据。
- 传输完成后，主设备拉高CS信号，结束通信。
由于SPI是全双工的，即使从设备没有数据发送，也需读取数据以避免丢失。
详细报告
以下是对SPI原理的全面分析，基于多个权威资源整理，旨在为用户提供完整的讲解。
引言
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，由摩托罗拉公司在其MC68HCXX系列处理器上首次定义。SPI以其简单、高速和全双工的特点，广泛应用于嵌入式系统中的短距离数据传输，如EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器等。本报告将详细探讨SPI的工作原理、通信模式、数据传输方式、实际应用以及优缺点。
SPI的定义与历史
SPI的全称是Serial Peripheral Interface，中文为串行外设接口。它最初由摩托罗拉公司开发，用于微控制器与外围设备之间的同步串行通信。SPI是一种事实上的标准，虽然没有正式的国际标准，但因其简单易用，已被广泛支持并集成到现代处理器中。
SPI的特点包括：
- 高速：传输速率可达几千bps到几百Mbps，具体取决于主设备和从设备的性能。
- 全双工：主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
- 同步：数据传输依赖主设备提供的时钟信号，确保数据同步。
SPI的工作原理
SPI通信系统由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成。主设备负责发起和控制通信，从设备被动响应。以下是SPI的核心工作原理：
信号线与功能
SPI接口通常由四根信号线组成：
- MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出，用于从设备向主设备发送数据。
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入，用于主设备向从设备发送数据。
- SCK（Serial Clock）：串行时钟，由主设备生成，用于同步数据传输。
- CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选信号，主设备通过拉低CS选择特定的从设备进行通信。
在多从设备系统中，每个从设备有独立的CS信号，主设备通过控制CS信号选择通信对象。
数据传输机制
SPI使用移位寄存器进行数据传输。主设备和从设备各有一个8位移位寄存器，数据以位为单位逐个移位。传输过程如下：
- 主设备拉低CS信号，选择从设备。
- 主设备生成SCK时钟信号，每个时钟周期传输1位数据。
- 数据通过MOSI和MISO同时传输，主设备发送数据到MOSI，从设备发送数据到MISO。
- 传输完成后，主设备拉高CS信号，结束通信。
SPI是全双工的，意味着主设备和从设备在同一时钟周期内可以同时发送和接收数据。例如，传输一个字节（8位）需要8个时钟周期。
主从关系与时钟控制
SPI采用主从模式，主设备提供SCK时钟信号，从设备无法自行生成或控制时钟，必须依赖主设备。从设备在检测到SCK信号后，根据时钟边沿采样和输出数据。
SPI的通信模式
SPI支持四种通信模式，基于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）：
- CPOL（Clock Polarity）：决定时钟信号在空闲状态下的电平。
- CPOL = 0：时钟空闲时为低电平。
- CPOL = 1：时钟空闲时为高电平。
- CPHA（Clock Phase）：决定数据在时钟边沿上的采样和输出。
- CPHA = 0：数据在第一个时钟边沿（上升或下降）采样，在第二个边沿输出。
- CPHA = 1：数据在第二个时钟边沿采样，在第一个边沿输出。
四种模式如下：
- 模式0：CPOL=0, CPHA=0，空闲低电平，数据在上升沿采样，下降沿输出。
- 模式1：CPOL=0, CPHA=1，空闲低电平，数据在下降沿采样，上升沿输出。
- 模式2：CPOL=1, CPHA=0，空闲高电平，数据在下降沿采样，上升沿输出。
- 模式3：CPOL=1, CPHA=1，空闲高电平，数据在上升沿采样，下降沿输出。
不同设备支持的模式不同，例如MCP2515支持模式0和3，通常通过软件配置为模式0。配置时需参考设备数据手册，确保主设备和从设备的模式匹配。
数据传输过程与注意事项
SPI的数据传输过程如下：
- 主设备拉低CS信号，选择要通信的从设备。
- 主设备生成SCK时钟信号，开始数据传输。
- 在每个时钟周期内，主设备通过MOSI发送1位数据，从设备通过MISO发送1位数据。
- 传输完成后，主设备拉高CS信号，结束通信。
注意事项：
- SPI是全双工的，即使从设备没有数据发送，也需读取数据以避免丢失。例如，主设备发送数据时，从设备可能返回无用数据（dummy data）。
- 主设备和从设备的时钟模式必须匹配，否则会导致数据错误。
- 从设备无法生成时钟，依赖主设备提供SCK信号。
SPI在微控制器中的应用
以STM32微控制器为例，SPI的初始化和使用步骤如下：
- GPIO初始化：将GPIO引脚配置为SPI功能，并使能SPI时钟。例如，启用SPI2时钟：
- RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_SPI2, ENABLE)。
- SPI参数配置：设置SPI模式（主从）、数据位数（8位或16位）、CPOL、CPHA、NSS模式（硬件或软件）、波特率预分频器、数据位顺序（MSB或LSB）、CRC多项式等。
- SPI使能：启用SPI外设，例如SPI_Cmd(SPI2, ENABLE)。
- 数据传输：使用SPI_ReadWriteByte函数发送数据并接收数据。
以下是STM32 SPI2初始化示例代码：
void SPI2_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_SPI2, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);
}SPI的优缺点
以下是SPI的优缺点分析：
| 类别 | 内容 |
|---|---|
| 优点 | – 高速传输：适合高速数据需求，速率可达几百Mbps。 |
| – 简单易用：接口线少（4根），实现简单，节省PCB空间。 | |
| – 全双工：支持同时发送和接收数据，提高效率。 | |
| 缺点 | – 无流控制：可能导致数据丢失或溢出，无硬件流控制机制。 |
| – 无应答机制：无法确认数据是否正确传输，依赖上层协议。 | |
| – 距离限制：适合短距离通信（通常几米内），长距离传输可能受信号干扰。 |
SPI的实际应用
SPI广泛应用于以下设备：
- 存储器：EEPROM、FLASH。
- 时钟设备：实时时钟（RTC）。
- 模数转换器：AD转换器、DA转换器。
- 信号处理器：数字信号处理器（DSP）。
- 其他：LCD驱动器、传感器、SD卡等。
例如，FIT_CAN_II_2515模块使用MCP2515，支持SPI模式0和3，通常配置为模式0，用于CAN总线通信。
总结
SPI是一种高效的同步串行通信协议，适用于嵌入式系统中的短距离高速数据传输。通过理解其工作原理、通信模式和数据传输方式，可以更好地应用于实际开发中。SPI的简单性和高效性使其成为嵌入式系统中不可或缺的通信协议。
参考资料：