SPI接口如何帮助减少系统板设计中的数字GPIO数量

串行外设接口 （SPI） 是微控制器和外设 IC（如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM 等）之间使用最广泛的接口之一。本文简要介绍SPI接口，然后介绍ADI公司支持SPI的开关和多路复用器，以及它们如何帮助减少系统板设计中的数字GPIO数量。

SPI 是一个同步的、基于全双工主子节点的接口。来自主节点或子节点的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主节点和子节点可以同时传输数据。SPI 接口可以是 3 线或 4 线。本文重点介绍流行的4线SPI接口。

接口

图1.具有主节点和子节点的 SPI 配置。

4线SPI器件有四个信号：

时钟 （SPI CLK， SCLK）

芯片选择（CS)

主输出，子节点输入 （MOSI）

主输入，子节点输出 （MISO）

产生时钟信号的设备称为主设备。主节点和子节点之间传输的数据与主节点生成的时钟同步。SPI 器件支持的时钟频率比 I 高得多2C 接口。用户应查阅产品数据手册，了解SPI接口的时钟频率规格。

SPI 接口只能有一个主节点，并且可以有一个或多个子节点。图 1 显示了主节点和子节点之间的 SPI 连接。

来自主节点的片选信号用于选择子节点。这通常是一个低电平有效信号，被拉高以断开子节点与SPI总线的连接。当使用多个子节点时，每个子节点都需要来自主节点的单独芯片选择信号。在本文中，片选信号始终为低电平有效信号。

MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主节点传输到子节点，MISO将数据从子节点传输到主节点。

数据传输

要开始SPI通信，主节点必须发送时钟信号并通过启用CS信号来选择子节点。通常片选是低电平有效信号;因此，主节点必须在此信号上发送逻辑 0 以选择子节点。SPI 是一个全双工接口;主节点和子节点可以分别通过 MOSI 和 MISO 线路同时发送数据。在SPI通信期间，数据同时被发送（串行移出到MOSI/SDO总线上）和接收（总线（MISO/SDI）上的数据被采样或读入）。串行时钟边沿同步数据的移位和采样。SPI接口使用户能够灵活地选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或转换数据。请参考器件数据手册，确定使用SPI接口传输的数据位数。

时钟极性和时钟相位

在SPI中，主电源可以选择时钟极性和时钟相位。CPOL 位设置空闲状态下时钟信号的极性。空闲状态定义为 CS 在传输开始时为高并过渡到低电平的时间段，以及当 CS 为低并在传输结束时过渡到高电平的时间段。CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位，上升或下降时钟边沿用于采样和/或移位数据。主节点必须根据子节点的要求选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位选择，有四种SPI模式可用。表1显示了四种SPI模式。

SPI 模式	中波尔	注册会计师协会	空闲状态下的时钟极性	用于采样和/或转换数据的时钟相位
0	0	0	逻辑低电平	数据在上升沿采样，在下降沿移出
1	0	1	逻辑低电平	数据在下降沿采样，在上升沿移出
2	1	0	逻辑高电平	数据在上升沿采样，在下降沿移出
3	1	1	逻辑高电平	数据在下降沿采样，在上升沿移出

图2至图5显示了四种SPI模式下的通信示例。在这些示例中，数据显示在 MOSI 和 MISO 行上。传输的开始和结束用绿色虚线表示，采样边缘用橙色表示，移位边缘用蓝色表示。请注意，这些数字仅供说明之用。为了成功进行SPI通信，用户必须参考产品数据手册，并确保满足器件的时序规格。

图2.SPI 模式 0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK 空闲状态 = 低电平，数据在上升沿采样，在下降沿移动。

图3显示了SPI模式1的时序图。在此模式下，时钟极性为0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在时钟信号的下降沿（由橙色虚线表示）上采样，数据在时钟信号的上升沿（由蓝色虚线表示）上偏移。

图3.SPI 模式 1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK 空闲状态 = 低电平，数据在下降沿采样并在上升沿移动。

图4显示了SPI模式3的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在时钟信号的下降沿（由橙色虚线表示）上采样，数据在时钟信号的上升沿（由蓝色虚线表示）上偏移。

图4.SPI 模式 3，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK 空闲状态 = 高电平，数据在下降沿采样并在上升沿移动。

图5显示了SPI模式2的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为0，表示数据在时钟信号的上升沿（由橙色虚线表示）上采样，数据在时钟信号的下降沿（由蓝色虚线表示）上偏移。

图5.SPI 模式 2，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK 空闲状态 = 高，数据在上升沿采样并在下降沿移动。

多子节点配置

多个子节点可以与单个 SPI 主节点一起使用。子节点可以以常规模式或菊花链模式连接。

常规 SPI 模式：

图6.多子节点 SPI 配置。

在常规模式下，需要从主节点为每个子节点选择单独的芯片。一旦主器件使能（拉低）片选信号，MOSI/MISO线路上的时钟和数据就可用于所选子节点。如果启用了多个片选信号，则MISO线路上的数据将损坏，因为主节点无法识别哪个子节点正在传输数据。

从图6可以看出，随着子节点数量的增加，来自主节点的片选线数量也在增加。这可以快速增加主节点所需的输入和输出数量，并限制可以使用的子节点数量。在常规模式下，可以使用不同的技术来增加子节点的数量;例如，使用多路复用器生成片选信号。

菊花链法：

图7.多子节点 SPI 菊花链配置。

在菊花链模式下，子节点的配置使得所有子节点的片选信号绑定在一起，数据从一个子节点传播到下一个子节点。在此配置中，所有子节点同时接收相同的 SPI 时钟。来自主节点的数据直接连接到第一个子节点，该子节点向下一个子节点提供数据，依此类推。

在这种方法中，当数据从一个子节点传播到下一个子节点时，传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的子节点位置成正比。例如，在图7中，在8位系统中，需要24个时钟脉冲才能在3位系统上提供数据。RD子节点，而常规SPI模式下只有8个时钟脉冲。图8显示了通过菊花链传播的时钟周期和数据。并非所有 SPI 器件都支持菊花链模式。请参阅产品数据表以确认是否有菊花链可用。

图8.菊花链配置：数据传播。

ADI公司支持SPI的开关和多路复用器

支持ADI SPI的最新一代开关可显著节省空间，而不会影响精密开关性能。本文的这一部分讨论一个案例研究，说明支持 SPI 的交换机或多路复用器如何显著简化系统级设计并减少所需的 GPIO 数量。

ADG1412是一款四通道、单刀单掷（SPST）开关，需要将四个GPIO连接到每个开关的控制输入端。图9显示了微控制器和一个ADG1412之间的连接。

图9.微控制器 GPIO 作为开关的控制信号。

随着电路板上开关数量的增加，所需的 GPIO 数量显著增加。例如， 在 设计 测试 仪器 系统 时， 会 使用 大量 开关 来 增加 系统 中 的 通道 数量。在4×4交叉点矩阵配置中，使用四个ADG1412。该系统将需要 16 个 GPIO，限制了标准微控制器中可用的 GPIO。图10显示了使用微控制器的16个GPIO连接四个ADG1412的过程。

图 10.在多子节点配置中，所需的 GPIO 数量大大增加。

减少 GPIO 数量的一种方法是使用串行至并行转换器，如图 11 所示。该器件输出可连接到开关控制输入的并行信号，并且可通过串行接口SPI进行配置。这种方法的缺点是通过引入附加组件来增加物料清单。

图 11.使用串行至并行转换器的多子节点交换机。

另一种方法是使用 SPI 控制的开关。这种方法的优点是减少了所需的GPIO数量，还消除了额外的串行至并行转换器的开销。如图12所示，只需7个微控制器GPIO即可向4个ADGS1412提供SPI信号，而不是16个微控制器GPIO。

图 12.支持 SPI 的开关可节省微控制器 GPIO。

交换机可以配置为菊花链配置，以进一步优化 GPIO 计数。在菊花链配置中，无论系统中使用的开关数量如何，主（微控制器）仅使用四个 GPIO。

图 13.支持以菊花链形式配置的交换机，以进一步优化 GPIO。

图 13 用于说明目的。ADGS1412数据手册建议在SDO引脚上安装上拉电阻。为简单起见，此示例中使用了四个开关。随着系统中开关数量的增加，电路板简单和节省空间的好处是显著的。支持ADI SPI的开关采用4×8交叉点配置，6层板上有8个四通道SPST开关，整体电路板空间减少20%。

审核编辑：郭婷