深入理解串行外設接口(SPI)總線(xiàn)及應用

　　串行外設接口(SPI)總線(xiàn)是一個(gè)工作在全雙工模式下的同步串行數據鏈路。它可用于在單個(gè)主控制器和一個(gè)或多個(gè)從設備之間交換數據。其簡(jiǎn)單的實(shí)施方案只使用四條支持數據與控制的信號線(xiàn)(圖1)：

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

　　圖1：基本SPI總線(xiàn)

　　表1：SPI引腳名稱(chēng)分配

　　SPI數據速率一般在1到70MHz的范圍內，字長(cháng)為從8位及12位到這兩個(gè)值的倍數。

　　數據傳輸一般由數據交換構成。在主控制器向從設備發(fā)送數據時(shí)，從設備也向主控制器發(fā)送數據。因此主控制器的內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(gè)芯片間的環(huán)形緩存器

　　在數據交換之前，主控制器和從設備會(huì )將存儲器數據加載至它們的內部移位寄存器。收到時(shí)鐘信號后，主控制器先通過(guò)MOSI線(xiàn)路時(shí)鐘輸出其移位寄存器的MSB.同時(shí)從設備會(huì )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(guò)SOMI時(shí)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，以便后續處理。整個(gè)過(guò)程將一直持續到所有位元完成交換，而主控器則可讓時(shí)鐘空閑并通過(guò)/SS禁用從設備。

　　除設置時(shí)鐘頻率外，主控制器還可根據數據配置時(shí)鐘極性和相位。這兩個(gè)分別稱(chēng)為CPOL與CPHA的選項可實(shí)現時(shí)鐘信號180度的相移以及半個(gè)時(shí)鐘周期的數據延遲。圖3是相應的定時(shí)圖。

　　圖3：時(shí)鐘極性與相位的定時(shí)圖

　　CPOL = 0時(shí)，時(shí)鐘空閑在邏輯0位置上：

　　如果CPHA = 0，數據在SCK的上升沿讀取，在下降沿變化。

　　如果CPHA = 1，數據在SCK的下降沿讀取，在上升沿變化。

　　CPOL = 1時(shí)，時(shí)鐘在邏輯為高時(shí)空閑：

　　如果CPHA = 0，數據在SCK的下降沿讀取，在上升沿變化。

　　如果CPHA = 1，數據在SCK的上升沿讀取，在下降沿變化。

　　在SPI中，主控制器可與單個(gè)或多個(gè)從設備通信。如果是一個(gè)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(shí)現永久接入。對使用多個(gè)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(fǎng)問(wèn)多個(gè)模數轉換器(ADC)及數模轉換器(DAC)的數據采集系統中。

　　菊花鏈從設備只需要主控制器提供一個(gè)從設備選擇信號，因為這種配置要求所有從設備同時(shí)啟用，以確保數據不間斷地流經(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動(dòng)器。