萬變不離其宗之SPI總線要點總結

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[導讀] 前面總結了UART/I2C的技術要點,SPI相對I2C而言,比較簡單。本文來總結一下SPI總線我的認爲比較重要的一些技術要點。node

什麼是SPI?

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一種嵌入式系統中應用普遍的同步串行通訊、主從架構式總線接口。80年代由摩托羅拉開發,已成爲事實標準。web

這句話裏有幾個關鍵要點:編程

  • 同步
  • 串行
  • 通訊
  • 主從
  • 總線

要理解這些要點,先上圖,一圖勝千言:安全

常見的SPI接口有這樣幾個引腳:微信

  • SCLK: 串行時鐘,老是主端負責輸出(Master)。老是由主端控制該信號,從端爲輸入採樣。
  • MOSI:主出從入(Master Output Slave Input)。老是由主端控制該信號,從端爲輸入採樣。
  • MISO:主入從出(Master Input Slave Output)。老是由從端控制該信號,主端爲輸入採樣。
  • :從選擇信號(Slave Select)。老是由主端控制該信號,從端爲輸入採樣。

要理解上面這幾個信號引腳的內涵,結合時序圖,就比較容易理解了:數據結構

數字電路中,同步電路是一種經過時鐘信號同步存儲元件狀態變化的數字電路。架構

  • 主端>從端app

    • :主端發送低電平先選通從芯片,上面加帽表示低有效。啥意思呢?就是這個腳低電平期間選中從設備,主設備發送的時序報文對選中的從設備有效,其餘掛載在總線上的設備忽略總線報文。
    • SCLK/SCK:發送同步移位時鐘。
    • MOSI:將數據按照SCLK移位時鐘週期,將數據移位發送至該引腳。被 選中的從設備依照SCLK/SCK上升沿或者降低沿,按位採樣,通常字節的高位在前,具體須聽從芯片手冊時序定義。從端依賴SCK/SCLK對MOSI上的信號逐位採樣,採樣的位依次進入接收移位寄存器,完成對字節的重組。當字節接收完成,再由後續數字電路進行處理。後續處理芯片實現各異,如是一個單片機則可能引起中斷請求,如是特定功能數字芯片,則依據接收報文完成相應的功能處理。
  • 從端>主端:less

    • :主芯片發送低電平先選通從芯片。
    • SCLK/SCK:發送同步移位時鐘。
    • MISO: 相似MOSI發送位流,依賴SCLK/SCK將位流依次發送至引腳上,主設備在同步時鐘的跳變邊沿採樣該引腳,進而移位接收位流。
  • 採樣沿:SPI採用邊沿觸發採樣,對MOSI/MISO上的位序列進行採樣,實際芯片有下面兩種方式:編輯器

    • CPHA=0,表示上升沿採樣
    • CPHA=1,表示降低沿採樣

通過這些描述,解釋了串行、同步、主從的概念。

什麼是通訊?

衆所周知,計算機是一個二進制系統,全部的信息都是基於0/1進行編碼、進行運行管理的。由0/1編碼進而表示字符、文本、文件。那麼SPI實現了底層的0/1碼流的傳遞機制,能傳遞0/1,經過應用控制、很天然就能交換信息。

這是否有種一輩子2、二生3、三生萬物的意思呢?

因此在研究各類通訊總線的物理層時,就其本質而言都是界定如何對信息流的基本單元0/1進行編碼、解碼、收發的。

什麼是SPI總線呢?

對於SPI總線而言,有兩種拓撲:

  • 獨立片選拓撲:總線拓撲須要更多片選引腳,但通訊效率高。信息直接在主從間傳遞
  • 菊花鏈拓撲:節省引腳,但效率較低,數據信息傳遞須要級聯傳遞。

獨立片選拓撲


如上圖:

  • 每一個從設備都有獨立的片選引腳 ,主機同一時間段內,與一個從設備進行通訊,也即選中一個從設備。
  • MOSI/MISO/SCLK並聯在一塊兒
  • MISO須是三態門,當從設備未選中時,該腳須設置爲高阻態,而不能是輸出態,不然會影響總線,這句話對於多從設備應用而言,請重點理解。尤爲當用GPIO模擬SPI應用而言,須特別注意這一點!
  • 對於MOSI/SCLK,雖然並聯在一塊兒,可是因爲僅一個輸出,多輸入。輸入引腳的阻抗原本就是高阻,因此不會有問題。

菊花鏈拓撲

有的芯片支持菊花鏈拓撲鏈接,這是何意呢?啥是菊花鏈呢?在電氣和電子工程中,雛菊鏈是一種佈線方案,其中多個設備按順序或按環鏈接在一塊兒,相似於雛菊的花環。其信息傳遞在鏈中流轉。

那麼對於SPI總線而言,具體是如何鏈接的呢?

其本質就是主從級聯:

  • 共用SCLK/ ,這兩根線並聯在一塊兒
  • 主MOSI連次級MOSI,次級MISO連次次級的MOSI....,而後由最後一級的MISO再送回到主設備的MISO。

  • 某級從設備在第N組時鐘週期用MISO發送第N-1組時鐘週期接收到位給下級設備,同時把本組時鐘週期期間前級設備經過MISO移位進來的數據保存按位序保存進接收寄存器中。其實在底層是按照位進行流轉的。這個傳遞過程當 變爲高電平時則中止,各從設備當前寄存器中內容鎖定了。具體應用時,若是要將某一字節傳遞到某個設備,則須要組織好傳遞的碼流,以及時鐘控制。
  • 對於菊花鏈數據傳遞過程,其實相似於擊鼓傳花遊戲。鼓點的做用就是同步時鐘,花則是要傳遞的信息數據,鼓點的起停則相似於片選控制,惟一不一樣的是,擊鼓傳花傳的是一朵花,而菊花鏈總線傳遞的是二進制流,至於從設備究竟要怎麼應用這些數據流,則具體實現各異。

其實熟悉數據結構的同窗可能會想,這個拓撲咋很像首尾相連的環形鏈表呢?確實很像,雖然沒啥直接關係。

引腳的別名

對於SPI的引腳,不一樣的芯片廠商在DATASHEET上定義的引腳名字可能不一樣,這裏將常見的別名整理一下:

  • MOSI主出從入:

    • SIMO, MTSR
    • SDI, DI, DIN, SI
    • SDO, DO, DOUT, SO
  • MISO主入從出

    • SOMI, MRST
    • SDO, DO, DOUT, SO
    • SDI, DI, DIN, SI
  • 片選

    • S̅S̅, SSEL, CS, C̅S̅, CE, nSS, /SS, SS

不少功能芯片可能沒有MISO引腳,也即沒法支持讀操做,僅僅支持寫入操做。

SPI優缺點

優點:

  • 傳輸速度高,SPI並未限定最高速度。有的應用甚至高達10Mbps。
  • 全雙工,但有的芯片沒有MISO,則不支持。
  • 相較於I2C而言,SPI簡單一些,編程容易,控制簡單
  • 信號爲單向信號,易於電隔離。尤爲在工業產品中電氣隔離在抗干擾方面、以及本質安全方面要求比較高。
  • 沒有複雜的總線仲裁機制,相對健壯。

劣勢:

  • 無尋址機制,須要額外的片選信號
  • SPI總線對於多從模式支持很差,兩種拓撲都沒法支持不少從設備,並且系統中也僅有一個主設備
  • 沒有定義錯誤檢測機制
  • 事實上的標準,但無正式標準
  • 與I2C同樣也只是芯片間總線,沒法長距離通訊

總結一下

或許有人會說I2C比SPI更好更爲優越,SPI則相對簡單粗暴。事實上作這樣的對比,我的認爲是沒什麼意義。

這兩種協議在魯棒性方面都比較好。I²C之因此優雅,是由於它在極簡的基礎架構(兩線SDA/SCL)上提供了很是先進的功能,例如自動多主機衝突處理和內置地址管理。可是它相對卻很是複雜,在性能上或許有所欠缺。

另外一方面,SPI很是易於理解和實施,而且爲擴展提供了很大的靈活性。SPI的優雅之處在於簡單性SPI應該被視爲構建用於IC之間通訊的自定義協議棧的良好接口。所以,儘管使用SPI可能須要作更多的工做,但能夠提供更高的數據傳輸性能和靈活的自由度。

若是必定要比較,則SPI和I2C都爲低速設備的通訊提供了良好的接口支持,可是SPI更適合點對點傳輸數據流的應用,而I²C則更適合於多主機「寄存器訪問」應用。

正確使用這兩種協議可提供相同級別的魯棒性,芯片廠商對兩種接口都普遍支持。市面上提供了大量的外圍芯片,好比 EEPROM,ADC,DAC,RTC,微控制器,傳感器,LCD控制器,這些芯片主要提供I²C,SPI或同時支持這2個接口。

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