串行外设接口SPI通信协议的应用

简介

SPI（全称SerialPeripheral Interface），串行外设接口。

SPI是串行外设接口（SerialPeripheral Interface）的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200。

－－from 百度百科

该接口由摩托罗拉在20世纪80年代中期开发，并已成为事实标准。

－－from Wiki

从维基百科查阅的的“事实标准”，在这来科普一下知识盲点：

事实标准是指非由标准化组织制定的，而是由处于技术领先地位的企业、企业集团制定（有的还需行业联盟组织认可，如DVD标准需经DVD论坛认可），由市场实际接纳的技术标准。

－－from 百度百科

SPI接口定义了一主多从这样的一个通信架构，在同一SPI总线上只有一个主机，可以有多个从机。这样的架构就限制了通信的主动权只能在主机端，主机发起一次通信，从机做出想要。

信号线

SPI被称为四线串行总线，其信号线分别有：

SCLK：串行时钟（主机输出）

MOSI：主输出从机输入或主机输出从机输入（主机输出的数据）

MISO：主输入从输出或主输入从输出（从输出的数据输出）

SS：从机选择（通常为低电平有效，主机输出）

信号线命名也是五花八门，以下的命名也是会遇见的：

串口时钟：

SCLK：SCK

主输出－－－＞从输入（MOSI）：

SIMO，MTSR － 对应主设备和从设备上的MOSI，相互连接

SDI，DI，DIN，SI － 在从设备上； 连接到主设备上的MOSI，或连接到下面的连接

SDO，DO，DOUT，SO － 在主设备上； 连接到从站上的MOSI，或连接到上面的连接

主输入＜－－－从输出（MISO）：

SOMI，MRST － 对应主设备和从设备上的MISO，相互连接

SDO，DO，DOUT，SO － 在从设备上； 连接到主设备上的MISO，或连接到下面的连接

SDI，DI，DIN，SI － 主设备； 连接到奴隶上的MISO或上面的连接

从机选择：

SS：SSEL，CS，CE，nSS，／ SS，SS＃

以上容易让人混淆的名字是SDO、SDI、DOUT、DIN等，这些都需要看具体印在主设备还是从设备上单独讨论。但是一般的还是尽量写清写规范，这样不容易产生歧义。

SPI作为同步串行接口，可以认为有两个同步信号，第一个是从机选择SS信号，告知被选中的从机，准备开始进行SPI通信，第二个是同步时钟信号SCLK，收发双方进行数据的交互时，都是基于SCLK的跳变进行逐bit输出和采样的。

四根信号线并非全部都需要，根据工作模式，可以配置成两线、三线。

在STM32CubeMX工具的配置页面，可以很清楚看到，配置不同的工作模式时，对应被使能的芯片管脚有何不同：

对比发现，全双工的四线和三线的区别是从机选择信号NSS。这种情况一般是因为SPI总线上只有一主一从的通信架构，从机的NSS信号一直接低电平，不需要做从机选择。

信号时序

四线SPI接口的时序一般的总是先拉低从机选择信号线SS，然后输出SCLK，带着数据MOSI，此时MISO为高阻态。大致如下如：

一般有SPI接口的器件，在Spec上都会有对应的时序图，这里分别截取SPI接口FLASH型号为GD25Q32C、SPI接口OLED型号为QG－2832TLBFG04，这两器件的Spec内关于SPI时序部分的介绍，如下两张截图：

对比不难发现，时序图的规范，定义了各个信号线输出电平的顺序和时延，还定义了时钟信号跳变沿与数据信号的“对齐”，这里的“对齐”实际上就是数据的输出和采样。

同样的，这个时序规范了SPI器件所呈现的SPI接口信号线特性，包括：时钟上升、下降沿时长；片选与时钟跳变沿之间的时延；时钟边缘与数据线保持的时长…

这些时序特性，都在明确了SPI主机与其通信时，要求不超出其定义的范围，否则从机器件响应不及时而导致通信异常。

不同的器件，对SPI接口的信号时序要求也会不同。第一张简明的时序图，而基于这样的时序图，SPI接口又可以配置不同的接口配置参数。

接口配置项

一般在开发时，接口的可选配置有：接口模式（实际配置的是单、双工模式选择）、设备主从模式、数据宽度、时钟极性（CPOL：）、时钟相位（CPHA）、时钟速率、数据bit位大小端选择。

接口模式

标准的四线SPI接口，使用的场景是主从机进行数据交互的通信，两方都有数据的收发过程，而在LCD／OLED这样的SPI接口作为从设备的器件中，就不需要数据返回给主机，只需要接收来自主机的控制信息和显示的数据。

基于这样的使用场景，就可以配置成三线的单工通信，即仅需要从机选择SS、时钟SCLK、数据输出MOSI即可。

设备主从模式

这个配置一般需要看芯片是否支持，可将芯片配置成SPI主机或者从机，能更好地集成在项目的系统中。

数据宽度

顾名思义，就是发送数据可以配置成8bit、16bit等，这也是根据芯片而定。

时钟极性、时钟相位

这两者分别是CPOL（Clock Polarity）、CPHA（Clock Phase），极性就是指高低电平，这个定义了SPI总线在空闲状态下，时钟保持高电平还是低电平，因为这个关系到了SPI通信时第一个时钟跳变沿是上升还是下降沿；相位指的是时钟的跳变沿，指定了数据信号的输出和采样如何与时钟对齐。

这两个配置，在Wiki和百度百科上都做了非常清晰的解释，这里截图引用如下：

时钟速率

速率选择定义了时钟信号线在数据传输是的翻转速率，这体现到每个芯片定义的接口时序图中，即可承受的速率范围，如果主机设的速率太快，而从机响应过慢会导致通信失败。

数据bit位大小端选择

数据的发送优先bit可配置，从上篇的UART协议可以知道，UART规定了数据优先发bit0，而这个SPI是可配置优先发送bit的，可设置最低位或者最高位。

从FLASH型号为GD25Q32和OLED型号为QG－2832TLBFG04的时序截图可看到，这两个器件都是优先发MSB，也就是最高位优先。

再对比一款字库芯片型号为GT21L16S2W的读取指令：

可见SPI器件普遍采用MSB的发送优先顺序。

总结SPI通信接口，一主多从的通信架构，标准模式有四根信号线、依靠选择信号SS开始通信、时钟信号SCLK进行逐bit输出和采样、可配置的采样时刻和可选择的优先发出bit。