干貨：SPI總線(xiàn)要點(diǎn)總結

SPI相對I2C而言，比較簡(jiǎn)單。本文來(lái)總結一下SPI總線(xiàn)個(gè)人認為比較重要的一些技術(shù)要點(diǎn)。

什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一種嵌入式系統中應用廣泛的同步串行通信、主從架構式總線(xiàn)接口。80年代由摩托羅拉開(kāi)發(fā)，已成為事實(shí)標準。

這句話(huà)里有幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)：

同步、串行、通信、主從、總線(xiàn)。

要理解這些要點(diǎn)，先上圖，一圖勝千言：

常見(jiàn)的SPI接口有這樣幾個(gè)引腳：

SCLK: 串行時(shí)鐘，總是主端負責輸出(Master)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?，從端為輸入采樣。

MOSI:主出從入（Master Output Slave Input)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?，從端為輸入采樣。

MISO:主入從出(Master Input Slave Output)?？偸怯蓮亩丝刂圃撔盘?，主端為輸入采樣。

SS:從選擇信號(Slave Select)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?，從端為輸入采樣。

要理解上面這幾個(gè)信號引腳的內涵，結合時(shí)序圖，就比較容易理解了：

數字電路中，同步電路是一種通過(guò)時(shí)鐘信號同步存儲元件狀態(tài)變化的數字電路。

主端>從端：

SS:主端發(fā)送低電平先選通從芯片，上面加帽表示低有效。啥意思呢？就是這個(gè)腳低電平期間選中從設備，主設備發(fā)送的時(shí)序報文對選中的從設備有效，其他掛載在總線(xiàn)上的設備忽略總線(xiàn)報文。

SCLK/SCK：發(fā)送同步移位時(shí)鐘。

MOSI：將數據按照SCLK移位時(shí)鐘周期，將數據移位發(fā)送至該引腳。被選中的從設備依照SCLK/SCK上升沿或者下降沿，按位采樣，一般字節的高位在前，具體須遵從芯片手冊時(shí)序定義。從端依賴(lài)SCK/SCLK對MOSI上的信號逐位采樣，采樣的位依次進(jìn)入接收移位寄存器，完成對字節的重組。

當字節接收完成，再由后續數字電路進(jìn)行處理。后續處理芯片實(shí)現各異，如是一個(gè)單片機則可能引發(fā)中斷請求，如是特定功能數字芯片，則依據接收報文完成相應的功能處理。

從端>主端:

SS:主芯片發(fā)送低電平先選通從芯片。

SCLK/SCK：發(fā)送同步移位時(shí)鐘。

MISO: 類(lèi)似MOSI發(fā)送位流，依賴(lài)SCLK/SCK將位流依次發(fā)送至引腳上，主設備在同步時(shí)鐘的跳變邊沿采樣該引腳，進(jìn)而移位接收位流。

采樣沿：SPI采用邊沿觸發(fā)采樣，對MOSI/MISO上的位序列進(jìn)行采樣，實(shí)際芯片有下面兩種方式

CPHA=0，表示上升沿采樣

CPHA=1，表示下降沿采樣

經(jīng)過(guò)這些描述，解釋了串行、同步、主從的概念。

什么是通信？

眾所周知，計算機是一個(gè)二進(jìn)制系統，所有的信息都是基于0/1進(jìn)行編碼、進(jìn)行運行管理的。由0/1編碼進(jìn)而表示字符、文本、文件。那么SPI實(shí)現了底層的0/1碼流的傳遞機制，能傳遞0/1，通過(guò)應用控制、很自然就能交換信息。

這是否有種一生二、二生三、三生萬(wàn)物的意思呢？

所以在研究各種通信總線(xiàn)的物理層時(shí)，就其本質(zhì)而言都是界定如何對信息流的基本單元0/1進(jìn)行編碼、解碼、收發(fā)的。

什么是SPI總線(xiàn)呢？

對于SPI總線(xiàn)而言，有兩種拓撲：

獨立片選拓撲：總線(xiàn)拓撲需要更多片選引腳，但通信效率高。信息直接在主從間傳遞

菊花鏈拓撲：節省引腳，但效率較低，數據信息傳遞需要級聯(lián)傳遞。

獨立片選拓撲

如上圖：

每個(gè)從設備都有獨立的片選引腳，主機同一時(shí)間段內，與一個(gè)從設備進(jìn)行通信，也即選中一個(gè)從設備。

MOSI/MISO/SCLK并聯(lián)在一起

MISO須是三態(tài)門(mén)，當從設備未選中時(shí)，該腳須設置為高阻態(tài)，而不能是輸出態(tài)，否則會(huì )影響總線(xiàn)，這句話(huà)對于多從設備應用而言，請重點(diǎn)理解。尤其當用GPIO模擬SPI應用而言，須特別注意這一點(diǎn)！

對于MOSI/SCLK，雖然并聯(lián)在一起，但是由于僅一個(gè)輸出，多輸入。輸入引腳的阻抗本來(lái)就是高阻，所以不會(huì )有問(wèn)題。

菊花鏈拓撲

有的芯片支持菊花鏈拓撲連接，這是何意呢？啥是菊花鏈呢？在電氣和電子工程中，雛菊鏈是一種布線(xiàn)方案，其中多個(gè)設備按順序或按環(huán)連接在一起，類(lèi)似于雛菊的花環(huán)。其信息傳遞在鏈中流轉。

SPI優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)勢：

傳輸速度高，SPI并未限定最高速度。有的應用甚至高達10Mbps。

全雙工，但有的芯片沒(méi)有MISO，則不支持。

相較于I2C而言，SPI簡(jiǎn)單一些，編程容易，控制簡(jiǎn)單

信號為單向信號，易于電隔離。尤其在工業(yè)產(chǎn)品中電氣隔離在抗干擾方面、以及本質(zhì)安全方面要求比較高。

沒(méi)有復雜的總線(xiàn)仲裁機制，相對健壯。

劣勢：

無(wú)尋址機制，需要額外的片選信號

SPI總線(xiàn)對于多從模式支持不好，兩種拓撲都無(wú)法支持很多從設備，而且系統中也僅有一個(gè)主設備

沒(méi)有定義錯誤檢測機制

事實(shí)上的標準，但無(wú)正式標準

與I2C一樣也只是芯片間總線(xiàn)，無(wú)法長(cháng)距離通信

總結

或許有人會(huì )說(shuō)I2C比SPI更好更為優(yōu)越，SPI則相對簡(jiǎn)單粗暴。事實(shí)上做這樣的對比，個(gè)人認為是沒(méi)什么意義。

這兩種協(xié)議在魯棒性方面都比較好。I2C之所以?xún)?yōu)雅，是因為它在極簡(jiǎn)的基礎架構（兩線(xiàn)SDA/SCL）上提供了非常先進(jìn)的功能，例如自動(dòng)多主機沖突處理和內置地址管理。但是它相對卻非常復雜，在性能上或許有所欠缺。

另一方面，SPI非常易于理解和實(shí)施，并且為擴展提供了很大的靈活性。