通信协议之SPI总线硬件篇

一、概述

SPI：Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口。

是由摩托罗拉在20世纪80年代中期开发的同步串行总线接口规范（带有时钟信号，通过时钟极性和时钟相位来控制采样，

即同步传输）。

1、支持半双工、全双工通信模式。

2、没有流控制和应答机制来确认是否接收到数据（UART有校验或流控制）。

3、没有一个固定的传输速率规定，已有器件SPI输出速率达到50Mbps以上（I2C有明确规定速率）。

4、只能板内的短距离传输（RS232、RS485输出距离远）。

5、没有限制传输bit数量，常用的是8bit或9bit。

6、不需要硬件地址（I2C要地址），采用片选。

7、主从模式，一托多。

二、3线和4线模式

3线SPI和4线SPI各个模式下信号定义：

3线9bit I型 接口信号：SCL、CS、SDA

3线9bit II型接口信号：SCL、CS、SDO、SDI

4线8bit I型接口信号：SCL、CS、DCX、SDA

4线8bit II型接口信号：SCL、CS、DCX、SDO、SDI

3线9bit 2 data Lane 接口信号：SCL、CS、D0、D1

对于3线或4线来区分，并不是信号线的数量，也不是网上说的半双工和全双工，或者数据线数量差异。

个人认为：

3线说的是时钟、片选、数据信号（不管是一根数据线，还是两根数据线），共三种信号。

4线说的是时钟、片选、数据信号、数据或命令控制线（确定发送的是数据还是命令），共4中信号。

三、SPI 四种工作模式

通过CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的搭配来得到四种工作模式：

CPOL时钟极性定义的是 SCLK时钟线空闲状态时的电平

CPOL=0，即SCLK=0，表示SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为低电平，因此有效状态为高电平。

CPOL=1，即SCLK=1，表示SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为高电平，因此有效状态为低电平。

CPHA时钟相位定义的是数据位相对于时钟线的时序（即相位）

CPHA=0，即表示输出（out）端在上一个时钟周期的后沿改变数据，而输入（in）端在时钟周期的前沿（或不久之后）捕

获数据。输出端保持数据有效直到当前时钟周期的尾部边缘。对于第一个时钟周期来说，第一位的数据必须在时钟前沿之

前出现在MOSI线上。也就是一个CPHA=0的周期包括半个时钟空闲和半个时钟置位的周期。

CPHA=1，即表示输出（out）端在当前时钟周期的前沿改变数据，而输入（in）端在时钟周期的后沿（或不久之后）捕获

数据。输出端保持数据有效直到下一个时钟周期的前沿。对于最后一个时钟周期来说，从机设备在片选信号消失之前保持

MISO信号线有效。也就是一个CHPA=1的周期包括半个时钟置位和半个时钟空闲的周期。

四、SPI升级版

SPI flash接口有standard SPI、Dual SPI、Quad SPI、Octal SPI，也就是所谓的1248线模式。

五、SDR和DDR模式

SPI通信支持SDR和DDR模式。

SDR：Single Data Rate通过 SCLK 的触发对信号进行采样时，一个时钟周期只执行一次，称为单倍数据速率模式。

DDR：Double Data Rate通过 SCLK 的触发对信号进行采样时，每个上升沿和下降沿将采样一次。

也就是说一个时钟周期内发送2位或者接收2位数据，称为双倍数据速率模式

六、SPI Flash接口

Dual SPI有两根数据IO；Quad SPI有4根数据IO。

SPI flash spec：

七、SPI TFT液晶屏接口

TFT液晶屏ST7789 spec定义，支持串行和并行，支持SPI多种通信模式。

八、信号定义及连线

标准SPI接口信号定义：

标准的SPI规范连线：

SDOSDI网络命名的连线（SDO和SDI交叉）：

SPI总线，一对多连线：

九、小结

1、有的参考设计原理图中，用SDI表示MOSI，用SDO表示MISO，连线要注意输出和输入的定义。

2、芯片引脚的信号输入或输出，是针对自身来标明的，因此在主从设备芯片的输出或输入要连接正确。

3、电路设计上引脚信号不需要上拉。如果是IO模拟的话，需注意是不是开漏，如是要加上拉。另，要确认器件spec的SPI

信息，可能有特殊的要加上下拉。

4、一对多的连线，片选信号CS单独控制，多个从设备需要多个CS信号。

5、从设备未被选中时，信号线变成高阻态（断开）。

6、Layout上没有特殊要求，当然可以SCLK信号包下地。

审核编辑 黄宇