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杏吧幹貨 | 一文了解SPI總線工作原理
發布人:管理員   發布時間:2019/9/29 10:26:04

SPI是什麼

 

SPI(Serial Peripheral Interface),即串行外圍設備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX係列處理器上定義的。SPI接口主要應用在 EEPROM、FLASH、實時時鍾、AD轉換器,還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。

 

SPI,是一種高速、全雙工、同步的通信總線,並且在芯片的管腳上隻占用四根線,節約了芯片的管腳,同時為PCB的布局上節省空間,提供方便。正是出於這種簡單易用的特性,現在越來越多的芯片集成了這種通信協議。

 

SPI的特點

01、-從模式(Master-Slave) 的控製方式 

SPI 規定兩個 SPI 設備之間通信必須由主設備 (Master) 來控製從設備 (Slave)。一個 Master 設備可以通過提供 Clock 以及對 Slave 設備進行片選 (Slave Select) 來控製多個 Slave 設備。

 

SPI 協議還規定 Slave 設備的 Clock 由 Master 設備通過 SCK 管腳提供給 Slave 設備, Slave 設備本身不能產生或控製 Clock, 沒有 Clock 則 Slave 設備不能正常工作。

02、同步方式(Synchronous)傳輸數據 

Master 設備會根據將要交換的數據來產生相應的時鍾脈衝(Clock Pulse),時鍾脈衝組成了時鍾信號(Clock Signal) ,時鍾信號通過時鍾極性 (CPOL) 和時鍾相位 (CPHA) 控製著兩個 SPI 設備間何時數據交換以及何時對接收到的數據進行采樣,來保證數據在兩個設備之間是同步傳輸的。

 

03、數據交換(Data Exchanges)

SPI 設備間的數據傳輸之所以又被稱為數據交換,是因為 SPI 協議規定一個 SPI 設備不能在數據通信過程中僅僅隻充當一個 "發送者(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)"。在每個 Clock 周期內,SPI 設備都會發送並接收一個 bit 大小的數據,相當於該設備有一個 bit 大小的數據被交換了。

 

1個 Slave 設備要想能夠接收到 Master 發過來的控製信號,必須在此之前能夠被 Master 設備進行訪問 (Access),所以 Master 設備必須先通過 SS/CS pin 對 Slave 設備進行片選,把想要訪問的 Slave 設備選上。

 

在數據傳輸的過程中,每次接收到的數據必須在下一次數據傳輸之前被采樣。如果之前接收到的數據沒有被讀取,那麼這些已經接收完成的數據將有可能會被丟棄,導致 SPI 物理模塊最終失效。

 

因此,在程序中一般都會在 SPI 傳輸完數據後,去讀取 SPI 設備裏的數據,即使這些數據(Dummy Data)在我們的程序裏是無用的。

 04、四種傳輸模式

§  CPOL用來決定SCLK空閑時的電平:

CPOL=0,空閑時為低電平;

CPOL=1,空閑時為高電平。

§  CPHA用來決定采樣時刻:

CPHA=0,每個周期的第一個時鍾沿采樣;

CPHA=1,每個周期的第二個時鍾沿采樣。

 

05、隻有主模式和從模式之分

沒有讀和寫的說法,因為實質上每次SPI是主從設備在交換數據。也就是說,你發一個數據必然會收到一個數據;你要收一個數據必須也要先發一個數據。

 06、SPI極性和相位的設置 

SPI分主設備和從設備,兩者通過SPI協議通訊。而設置SPI的模式,是從設備的模式,決定了主設備的模式。所以要先去搞懂從設備SPI是何種模式,然後再將主設備SPI的模式設置成和從設備相同的模式,即可正常通訊。

 

兩種從設備SPI的模式:

 

(1)固定的,由SPI從設備硬件決定

SPI從設備,具體是什麼模式,相關的datasheet中會有描述,需要自己去datasheet中找到相關的描述。

關於SPI從設備在空閑的時候,是高電平還是低電平,決定了CPOL是0還是1;然後再確定設備是在上升沿采樣數據還是下降沿采樣數據,這樣就可以在定了CPOL值的前提下,對應著推算出CPHA是0還是1了。

 

(2)可配置的,由軟件自己設定

從設備也是一個SPI控製器,4種模式都支持,此時隻要自己設置為某種模式即可。知道了從設備的模式後,再去將SPI主設備的模式設置為和從設備模式一樣的即可。

對於如何配置SPI的CPOL和CPHA,這裏不多細說,多數都是直接去寫對應的SPI控製器中對應寄存器中的CPOL和CPHA那兩位,寫0或寫1即可。

 

SPI示例

 

對於我們的FIT_CAN_II_2515模塊來說,其主芯片使用的是MCP2515。根據芯片手冊,該芯片可以工作在SPI的MODE 0和MODE 3模式:

 

 

 

但芯片硬件並沒有相應的配置引腳:

 

 

在谘詢軟件工程師後,確定是軟件設置為MODE 0:

 

 

關於SPI總線工作原理先介紹到這裏,希望能幫助到你,後續會分享更多有關SPI的幹貨,敬請關注我們【杏吧嵌入式】公眾號。

 

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