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1.SPI接口原理

串行外圍設(shè)備接口(Serial Peripheral Interface,SPI)，用來在微控制器和外圍設(shè)備芯片之間提供一個(gè)低成本、易使用的接口(SPI有時(shí)候也被稱為4線接口)。這種接口可以用來連接存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)數(shù)據(jù))、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷、LCD驅(qū)動(dòng)器、傳感器等等。

SPI主要使用四個(gè)信號(hào)：主機(jī)輸出/從機(jī)輸入(MOSI)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出(MISO)、串行SCLK或SCK、外設(shè)芯片(CS)。有些處理器有SPI接口專用的芯片選擇，稱為從機(jī)選擇SS。

MOSI信號(hào)由主機(jī)產(chǎn)生，從機(jī)接受。在有些芯片上，MOSI只被簡單地標(biāo)為串行輸入(SI),或者串行數(shù)據(jù)輸入SDI。MISO信號(hào)由從機(jī)產(chǎn)生，不過還是在主機(jī)的控制下產(chǎn)生的。在一些芯片上，MISO有時(shí)被稱為串行輸出(SO),或者串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)。外設(shè)片選信號(hào)通常只是由主機(jī)的備用I/O引腳產(chǎn)生。

與標(biāo)準(zhǔn)的串行接口接口不同，SPI是一個(gè)同步協(xié)議接口，所有的傳輸都參照一個(gè)共同的時(shí)鐘，這個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)產(chǎn)生，接收數(shù)據(jù)的外設(shè)使用時(shí)鐘來對(duì)串行比特流的接受進(jìn)行同步化。可以將多個(gè)具有SPI接口的芯片連到主機(jī)的同一個(gè)SPI接口上，主機(jī)通過控制從設(shè)備的片選輸入引腳來選擇接受數(shù)據(jù)的從設(shè)備。

2.SPI傳輸過程

主機(jī)和外設(shè)都包含一個(gè)串行移位寄存器，主機(jī)通過它的SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器是通過MOSI信號(hào)線將字節(jié)傳送給外設(shè)，外設(shè)也將自己的移位寄存器中的內(nèi)容通過MISO信號(hào)線返回給主機(jī)。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換了。外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的，因此SPI成為一個(gè)很有效的協(xié)議。

如果只是進(jìn)行寫操作，主機(jī)只需忽略收到的字節(jié);反過來，如果主機(jī)要讀取外設(shè)的一個(gè)字節(jié)，就必須發(fā)送一個(gè)空字節(jié)來引發(fā)從機(jī)的傳輸。

當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流時(shí)，有些外設(shè)能夠進(jìn)行多字節(jié)傳輸。許多擁有SPI接口的存儲(chǔ)器芯片都以這種方式工作。在這種傳輸方式下，SPI外設(shè)的芯片選擇端必須在整個(gè)傳輸過程中保持低電平。比如，存儲(chǔ)器芯片會(huì)希望在一個(gè)“寫“命令之后緊接著收到的是四個(gè)地址字節(jié)(起始地址)，這樣，后面接受到的數(shù)據(jù)就可以存儲(chǔ)到該地址。一次傳輸可能會(huì)涉及千字節(jié)的移位或更多信息。

其他外設(shè)只需要一個(gè)單字節(jié)(比如一個(gè)發(fā)給A/D轉(zhuǎn)換器的命令)，有些甚至還支持菊花鏈連接，菊花鏈連接三臺(tái)SPI設(shè)備，如下圖：

主機(jī)處理器從其SPI接口發(fā)送三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。第一個(gè)字節(jié)發(fā)送給外設(shè)A，當(dāng)?shù)诙�個(gè)字節(jié)發(fā)送給外設(shè)A的時(shí)候，第一個(gè)字節(jié)已移出了A，而傳送給了B。同樣，主機(jī)想要從外設(shè)A讀取一個(gè)結(jié)果，它必須再發(fā)送一個(gè)3字節(jié)(空字節(jié))的序列，這樣就可以把A中的數(shù)據(jù)移到B中，然后再移到C中，最后送回到主機(jī)。在這個(gè)過程中，主機(jī)還依次從B和C接受到字節(jié)。

注意，菊花鏈連接不一定適用于所有的SPI設(shè)備，特別是要求多字節(jié)傳輸?shù)脑O(shè)備(比如存儲(chǔ)器芯片)，有的外設(shè)芯片也不支持菊花鏈連接。

根據(jù)時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位的不同，SPI有四個(gè)工作模式：

時(shí)鐘極性CPOL有高、低兩極;時(shí)鐘極性為低電平時(shí)，空閑時(shí)時(shí)鐘(SCK)處于低電平，傳輸時(shí)跳到高電平;時(shí)鐘極性為高電平時(shí)，空閑時(shí)時(shí)鐘處于高電平，傳輸時(shí)跳到低電平。

時(shí)鐘相位CPHA有兩個(gè)：時(shí)鐘相位0和時(shí)鐘相位1。當(dāng)時(shí)鐘相位為0時(shí)，時(shí)鐘周期的前一邊緣采集數(shù)據(jù);當(dāng)時(shí)鐘相位為1時(shí)，時(shí)鐘周期的后一邊緣采集數(shù)據(jù)。