SPI通信协议详解：原理、时序与应用

SPI通信协议详解：原理、时序与应用

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/qq_19395823/article/details/145115948

SPI（串行外设接口）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线，广泛应用于嵌入式系统和硬件设备之间的通信。本文将详细介绍SPI通信协议的基本原理、硬件电路连接方式、移位示意图以及具体的时序操作流程。

SPI通信协议概述

SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线，主要用于嵌入式系统和硬件设备之间的通信。SPI通信使用四根通信线：

• SCK（Serial Clock）：时钟信号线
• MOSI（Master Output Slave Input）：主机输出从机输入数据线
• MISO（Master Input Slave Output）：主机输入从机输出数据线
• SS（Slave Select）：从机选择信号线

SPI通信具有以下特点：

• 同步通信
• 全双工通信
• 支持总线挂载多设备（一主多从）

硬件电路连接

在SPI通信中，所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起。主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚（低电平有效）。主机通过控制SS信号来选择与哪个从机进行通信。

输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入。SPI协议在从机中的规定：当从机的SS引脚为高电平（从机未被选中），它的MISO引脚必须切换为高阻态（相当于引脚断开，不输出任何电平），在SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出，避免了MISO引脚数据冲突。

移位示意图

SPI一般为高位先行，每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行移位。移位寄存器的时钟源（波特率发生器）由主机提供。主机移位寄存器向左移出去的数据，通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边。从机移位寄存器向左移出去的数据，通过MISO引脚，输入到主机移位寄存器的右边。

规定波特率发生器时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动1位，移出去的位放在引脚上。波特率发生器的下降沿，引脚上的位采样输入到移位寄存器的最低位。

SPI时序基本单元

SPI时序的基本单元包括起始条件和终止条件：

• 起始条件：SS从高电平切换到低电平
• 终止条件：SS从低电平切换到高电平

SPI支持四种不同的时序模式，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）两个参数来区分：

• 模式0：CPOL=0，CPHA=0
• 模式1：CPOL=0，CPHA=1
• 模式2：CPOL=1，CPHA=0
• 模式3：CPOL=1，CPHA=1

SPI时序详解

每个芯片对SPI时序字节流功能的定义不同，这里以W25Q64的时序为例。SPI对字节流功能的规定与I2C不同。I2C的规定一般是，有效数据流第一个字节是寄存器地址，之后依次是读写的数据，使用的是读写寄存器的模型。而在SPI中，通常采用的是指令码加读写数据的模型。SPI起始后，第一个交换发送给从机的数据，一般叫做指令码。在从机中，对应的会定义一个指令集，这样就可以指导从机完成相应的功能。

发送指令

向SS指定的设备，发送指令（0x06）：

• SS产生下降沿，时序开始。
• MOSI，由于指令码最高位仍然是0，所以保持低电平不变。
• MISO，从机现在没有数据发送给主机，引脚电平没有变换，实际上W25Q64不需要回传数据时，MISO仍然为高阻态，从机没有开启输出，这里因为STM32的MISO为上拉输入，所以MISO呈现高电平。
• 之后，SCK第一个上升沿，进行数据采样，从机采样输入得到0，主机采样输入得到1。
• 再往后，主机要发送数据1，SCK下降沿，主机将1移出到MOSI，MOSI变为高电平，这里因为是软件模拟的时序，所以MOSI的数据变化有延迟，没有紧贴SCK的下降沿，只要在下一个SCK上升沿之前完成变化即可。
• 然后SCK上升沿，数据采样输入。
• 在最后一位，下降沿，数据变化，MOSI变为0。
• 上升沿，数据采样，从机接收数据0。
• SCK低电平是变化的时期，高电平是读取的时期。

指定地址写

向SS指定的设备，发送写指令（0x02），随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）：

• SS下降沿，开始时序。
• 这里MOSI空闲时是高电平，所以在下降沿之后，SCK第一个时钟之前，MOSI变换数据，由高电平变为低电平。
• 随后SCK上升沿，数据采样输入。
• 下降沿变换数据，上升沿采样数据。
• 8个时钟后，一个字节交换完成，用0x02换来了0xFF，接收的0xFF不需要使用。
• 第二个字节，用0x12（发送地址的23~16位）换来了0xFF。
• 第三个字节，用0x34（发送地址的15~8位）换来了0xFF。
• 第四个字节，用0x56（发送地址的7~0位）换来了0xFF。
• 通过3个字节的交换，24位地址发送完毕。从机收到的24位地址是0x123456。
• 3位地址结束后，发送写入指定地址的内容。
• 第五个字节，发送数据，这里的波形是0x55。
• 如果只想写入一个数据，就可以SS置高电平，结束通信。
• 这里也可以继续发送数据，SPI也有和I2C一样的地址指针，每读写一个字节，地址指针自动加1，如果发送一个字节之后不终止，继续发送的字节就会依次写入到后续的存储空间内。
• 由于SPI没有应答机制，所以交换一个字节后，立刻交换下一个字节即可。

指定地址读

向SS指定的设备，发送读指令（0x03），随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）：

• SS下降沿，开始时序。
• 这里MOSI空闲时是高电平，所以在下降沿之后，SCK第一个时钟之前，MOSI变换数据，由高电平变为低电平。
• 随后SCK上升沿，数据采样输入。
• 下降沿变换数据，上升沿采样数据。
• 8个时钟后，一个字节交换完成，用0x03换来了0xFF，接收的0xFF不需要使用。
• 第二个字节，用0x12（发送地址的23~16位）换来了0xFF。
• 第三个字节，用0x34（发送地址的15~8位）换来了0xFF。
• 第四个字节，用0x56（发送地址的7~0位）换来了0xFF。
• 通过3个字节的交换，24位地址发送完毕。从机收到的24位地址是0x123456。
• 3位地址结束后，发送读取指定地址的内容。
• 第五个字节，读取数据，这里的波形是0x55。
• 如果只想读取一个数据，就可以SS置高电平，结束通信。
• 这里也可以继续读取数据，SPI也有和I2C一样的地址指针，每读写一个字节，地址指针自动加1，如果读取一个字节之后不终止，继续读取的字节就会依次从后续的存储空间内读取。
• 由于SPI没有应答机制，所以交换一个字节后，立刻交换下一个字节即可。

总结

本文详细介绍了SPI通信协议的基本原理、硬件电路连接方式、移位示意图以及具体的时序操作流程。通过图文结合的方式，对SPI通信的各个细节进行了详细的解释，适合对嵌入式系统和硬件通信协议感兴趣的读者。

本文原文来自CSDN