重度理解SPI（半原创）



重度理解SPI总线

  

本文是在参考了许多文章之上总结出来的（文章最后会附上参考文章的出处），作者呼吁保护原创权益，希望广大电子爱好者在学习知识的同时珍惜作者的劳动成果。

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一、概念（什么是SPI）

设备与设备之间通过某种硬件接口通讯，目前存在很多种接口，SPI接口是其中的一种。SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。SPI是一种高速的，全双工，以同步串行方式的通信总线，SPI接口只占用四根线：SCK、MOSI、MISO、SS。

SPI中分Master主设备和Slave从设备，数据发送都是由Master控制。一个master可以接一个或多个slave，常见用法是一个Master接一个slave。

 

二、用途(用来干什么)

SPI由于接口相对简单（只需要4根线），用途算是比较广泛，主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。即一个SPI主设备（Master）与一个SPI从设备（slave,即上述的那些Flash，ADC等)进行通讯。

 

三、SPI工作原理

（1）4根线：

SCLK：Serial Clock         串行时钟，由主设备提供（有的叫SCK）

MISO：Master In Slave Out 主设备输入，从设备输出（有的叫SDI，串行数据输入）

MOSI：Master Out  Slave In 主设备输出，从设备输入（有的叫SDO，串行数据输出）

SS  ： Slave Select        选中从设备，片选（有的叫CS）

（2）工作原理：

通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

主从设备之间通过SPI进行通讯，首先要保证两者之间时钟SCLK要一致，互相要商量好了，要匹配，否则，就没法正常通讯了，即保证时序上的一致才可正常通讯。

 

先简单说一下，关于SPI中一些常见的说法：

SPI的极性Polarity和相位Phase（这里的SPI中的时钟和相位，指的就是SCLK时钟的特性，即保证主从设备两者的时钟的特性一致了，以保证两者可以正常实现SPI通讯），最常见的写法是CPOL和CPHA，不过也有一些其他写法，简单总结如下：

(1) CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （时钟）极性

(2) CKPHA (Clock Phase)   = CPHA = PHA = Phase = （时钟）相位

(3) SCK=SCLK=SPI的时钟

(4) Edge=边沿，即时钟电平变化的时刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)

对于一个时钟周期内，有两个edge，分别称为：

Leading edge=前一个边沿=第一个边沿，对于开始电压是1，那么就是1变成0的时候，对于开始电压是0，那么就是0变成1的时候。

Trailing edge=后一个边沿=第二个边沿，对于开始电压是1，那么就是0变成1的时候（即在第一次1变成0之后，才可能有后面的0变成1），对于开始电压是0，那么就是1变成0的时候。

 

本文采用如下用法：

极性=CPOL

相位=CPHA

SCLK=时钟

第一个边沿和第二个边沿

 

【SPI的相位和极性】

CPOL和CPHA，分别都可以是0或时1，对应的四种组合（即SPI的四种模式）就是：

Mode 0：CPOL=0, CPHA=0

Mode 0：CPOL=0, CPHA=1

Mode 0：CPOL=1, CPHA=0

Mode 0：CPOL=1, CPHA=1

 

 

结合上图与下面的详细解释，你应该会理解清楚。

【 CPOL极性】

先说什么是SCLK时钟的空闲时刻，其就是当SCLK在数发送8个bit比特数据之前和之后的状态（即没有进行数据传输的时候），于此对应的，SCLK在发送数据的时候，就是正常的工作的时候，有效active的时刻了。

先说英文，其精简解释为：Clock Polarity = IDLE state of SCK。

再用中文详解：

SPI的CPOL，表示当SCLK空闲idle的时候，其电平的值是低电平0还是高电平1：

CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平，所以当SCLK有效的时候，就是高电平，就是所谓的active-high；

CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平，所以当SCLK有效的时候，就是低电平，就是所谓的active-low；

【 CPHA相位】

首先说明一点，capture strobe = latch = read = sample，都是表示数据采样，数据有效的时刻。

相位，对应着数据采样是在第几个边沿（edge），是第一个边沿还是第二个边沿，0对应着第一个边沿，1对应着第二个边沿。

对于：

CPHA=0，表示第一个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

CPHA=1，表示第二个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

 

用图文形式表示，更加容易看懂： 

 

注意：有些地方对于相位和极性的英文简写不同，但是其代表的含义是一样的。

下面再列出其他一些地方找到的，常见的SPI的四种模式的时序图，供参考：

 

【如何看懂和记忆CPOL和CPHA】

看似多么复杂难懂难记忆的CPOL和CPHA，其实经过上面解释，就肯容易看懂了：

去看时序图，如果起始和最终的SCLK的电平是0，那么CPOL=0，如果是1，那么CPOL=1，

然后看数据采样时刻，即时序图数据线上的数据那个矩形区域的中间所对应的位置，对应到上面SCLK时钟的位置，对应着是第一个边沿或是第二个边沿，即CPHA是0或1。（对应的是上升沿还是还是下降沿，要根据对应的CPOL的值，才能确定）。

即：

（1）如何判断CPOL：SCLK的空闲时候的电压，是0还是1，决定了CPOL是0还是1；

（2）如何判断CPHA：而数据采样时刻对应着的SCLK的电平，是第一个边沿还是第二个边沿，对应着CPHA为0还是1。

【软件中如何设置SPI的极性和相位】

SPI分主设备和从设备，两者通过SPI协议通讯。

而设置SPI的模式，是从设备的模式，决定了主设备的模式。

所以要先去搞懂从设备的SPI是何种模式，然后再将主设备的SPI的模式，设置和从设备相同的模式，即可正常通讯。

 

对于从设备的SPI是什么模式，有两种：

（1）固定的，有SPI从设备硬件决定的

SPI从设备，具体是什么模式，相关的datasheet中会有描述，需要自己去datasheet中找到相关的描述，即：

关于SPI从设备，在空闲的时候，是高电平还是低电平，即决定了CPOL是0还是1；

然后再找到关于设备是在上升沿还是下降沿去采样数据，这样就是，在定了CPOL的值的前提下，对应着可以推算出CPHA是0还是1了。

举例1：

CC2500 - Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver的datasheet中SPI的时序图是：

 

从图中可以看到，最开始的SCLK和结束时候的SCLK，即空闲时刻的SCLK，是低电平，推导出CPOL=0，然后可以看到数据采样的时候，即数据最中间的那一点，对应的是SCLK的第一个边沿，所以CPHA=0（此时对应的是上升沿）。

 

举例2：

SSD1289 - 240 RGB x 320 TFT LCD Controller Driver的datasheet中提到：

“SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.”

意思是，数据是在上升沿采样，所以可以断定是CPOL=0，CPHA=0，或者CPOL=1，CPHA=1的模式，但是至于是哪种模式。

按理来说，接下来应该再去确定SCLK空闲时候是高电平还是低电平，用以确定CPOL是0还是1，但是datasheet中没有提到这点。

所以，此处，目前不太确定，是两种模式都支持，还是需要额外找证据却确定CPOL是0还是1.

 

（2）可配置的，由软件自己设定

从设备也是一个SPI控制器，4种模式都支持，此时只要自己设置为某种模式即可。

然后知道了从设备的模式后，再去将SPI主设备的模式，设置为和从设备模式一样，即可。

 

对于如何配置SPI的CPOL和CPHA的话，不多细说，多数都是直接去写对应的SPI控制器中对应寄存器中的CPOL和CPHA那两位，写0或写1即可。

举例：

此处遇到的C8051F347中的SPI就是一个SPI的controller控制器，即支持软件配置CPOL和CPHA的值，四种模式都支持，此处C8051F347作为SPI从设备，设置了CPOL=1，CPHA=0的模式，因此，此处对应主芯片Blackfin F537中的SPI控制器，作为Master主设备，其SPI的模式也要设置为CPOL=1，CPHA=0。

 

 

注意：对于SPI通讯速度，SPI协议本身并没有规定最高速度，完全是通信双方的能力限制,一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps。

四、加深理解的图片

 

这个网址有动画演示：http://bbs.elecfans.com/jishu_441914_1_1.html

五、参考文章出处

http://blog.chinaunix.net/uid-20620288-id-3164384.html

http://bbs.elecfans.com/jishu_441914_1_1.html

http://my.oschina.net/freeblues/blog/67400

http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/11710801

http://blog.csdn.net/md521/article/details/6775618

http://baike.baidu.com/subview/140064/140064.htm

http://baike.baidu.com/link?url=huXhgqPnAfQqmHOy9KaHhlKEUnsiZ0j1bmvvxdeqHqLNu4Kdz7Qj1rPIenl7GdZK5M3BNjU3CyOrl2P3tvgsS_

2015.11.8

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