序列周边接口

✍ dations ◷ 2025-04-28 01:48:25 #串行总线

串行外设接口(Serial Peripheral Interface Bus,SPI),是一种用于芯片通信的同步串行通信接口规范,主要应用于单片机系统中。类似I²C。这种接口首先由摩托罗拉公司于20世纪80年代中期开发,后发展成了行业规范。它的典型应用有SD卡与液晶显示器。

SPI设备之间使用全双工模式通信,是一个主机和一个或多个从机的主从模式。主机负责初始化帧,这个数据传输帧可以用于读与写两种操作,片选(英语:Chip select)线路可以从多个从机选择一个来响应主机的请求。

有时SPI接口被称作四线式接口,这是为了与其他不同线制的数据传输接口加以区分。SPI准确来讲应为“同步串行接口”,但是它又与同步串行接口协议(SSI)是完全不同的两种协议。虽然SSI也是一个四线式同步通信协议,但是它使用差分信号,而且仅提供一个单工通信信道。于此相对地,SPI是一个单主机多从机的通信接口。

SPI总线规定了4个保留逻辑信号接口:

尽管上面的引脚名称是最常用的,但在过去,有时会使用其他引脚命名方式,因此旧的集成电路产品的SPI端口引脚名称可能有所不同。

SPI总线的通信操作可以在单个主设备与一或多个从设备之间进行。

在只有单一从设备的情况下,如果从设备允许,SS引脚可以固定为逻辑低电平。然而有一些从设备需要片选信号的下降沿来触发动作。Maxim MAX1242 ADC就是一个例子,它在高→低转换时才会开始进行模数转换。对于多个从设备,每个从设备都需要一个独立的SS信号。

大多数从属设备​​具有三态逻辑的特性,所以当器件未被选中时,它们的MISO信号变为高阻抗(逻辑断开)。没有三态输出的器件不能与其他器件共享SPI总线段,但是可以使用外接的三态逻辑缓存来解决这个问题。

为了开始通信,总线上的主设备需要使用从设备支持的频率来配置时钟,这个频率最高为几兆赫兹左右。然后主设备将某根连接到从设备SS的线上的信号置为0来选中这个从设备。如果等待时间是必要的话(例如进行模数转换),主设备必须等待满这段时间之后,才可以发出时钟周期信号。

在每个SPI时钟周期内,都会发生全双工数据传输。主设备在MOSI线上发送一个位,从设备读取它,同时从机在MISO线上发送一位数据,主机读取它。即使只有单向数据传输的目的,主从机之间的通信工作方式仍然是双工的。

传输通常会使用给定字长的两个移位寄存器,一个在主设备中,一个在从设备中,它们之间的连接方式形成了一个虚拟的环形拓朴结构。数据通常先从最高位移出。在时钟信号边沿,主机和从机均移出一位,然后在传输线上输出给对方。在下一个时钟沿,每个接收器都从传输线接受对方发出的数据位,并且从移位寄存器的最低位推入。每完成这样一个移出——推入的周期后,主机和从机就交换寄存器中的一位数据。当所有数据位都经过了这样的移出——推入过程后,主机和从机就完成了寄存器上的数据交换。如果需要交换的数据比寄存器的位数还要长的话,则需要重新加载移位寄存器并重复该过程。传输可能会持续任意数量的时钟周期。完成后,主设备会停止发送时钟信号,并通常会取消选择从设备。

传输寄存器通常包含8位。但是其他字长也很常见,例如触摸屏控制器或音频编解码器通常采用16位字长(如德州仪器的TSC2101),许多数模转换或者模数转换的设备则会采用12位字长。

所有在总线上的没有被片选线激活的从设备必须忽略输入时钟和MOSI信号,并且不得从MISO发送数据。

在独立的从设备配置中,每个从设备都有独立的芯片选择线。 强烈建议在每个独立器件上使用电源和片选线之间使用上拉电阻,以减少器件之间的串扰。 这是SPI通常被使用的方式。 由于从机的MISO引脚连接在一起,因此它们需要为三态引脚(高,低或高阻抗)。

SPI从设备有时会使用另一条信号线将中断信号发送到主设备的CPU。 例子包括来自触摸屏传感器的笔下中断,来自温度传感器的热限制警报,实时时钟芯片发出的警报, SDIO以及来自手机中声音编解码器的耳机插孔插入。 SPI标准中并不包括中断。 中断的使用既不被禁止也不被标准规定。

/* * 通过SPI协议在主设备和从设备之间交换一个字节的数据 * * Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.: *   - 输入数据在SCLK的上升沿捕获。 *   - 输出数据在SCLK的下降沿传播。 * * 返回接收到的一字节的数据 */uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out){    uint8_t byte_in = 0;    uint8_t bit;    for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {        /* Shift-out a bit to the MOSI line */        write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);        /* Delay for at least the peer's setup time */        delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);        /* Pull the clock line high */        write_SCLK(HIGH);        /* Shift-in a bit from the MISO line */        if (read_MISO() == HIGH)            byte_in |= bit;        /* Delay for at least the peer's hold time */        delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);        /* Pull the clock line low */        write_SCLK(LOW);    }    return byte_in;}

优点和缺点

优点

  • SPI协议默认是全双工通信。
  • 推挽式驱动器 (与开路漏极相反)可提供良好的信号完整性和高速度
  • 比I²C或SMBus更高的吞吐量 。 不限于任何最大时钟速度,可实现高速运行
  • 完整的传输位协议灵活性
    • 不限于8位字
    • 消息大小,内容和目的的任意选择
  • 非常简单的硬件接口
  • 由于电路较少(包括上拉电阻),因此通常比I²C或SMBus的功耗要低,
  • 没有仲裁或相关的失败模式
  • 从设备直接使用主时钟,不需要精密振荡器
  • 从站不需要唯一的地址 - 不像I²C或GPIB或SCSI
  • 不需要收发器
  • IC封装只使用四个引脚,而电路板布局或连接器则少于并行接口
  • 每个器件至多有一个独特的总线信号(芯片选择);其他信号均可以共享
  • 信号是单向的,允许简单的电偶分离
  • 简单的软件实现

缺点

  • 即使是三线式SPI,也需要比I²C更多的IC封装引脚
  • 没有带内寻址; 共享总线上需要带外片选信号
  • 从机没有硬件流量控制 (但主机可以延迟下一个时钟边沿以降低传输速率)
  • 没有硬件从设备确认(主机可能无法传输并且不知道这一点)
  • 通常只支持一个主设备(取决于设备的硬件实现)
  • 没有定义错误检查协议
  • 没有正式的标准,验证一致性是不可能的
  • 与RS-232 , RS-485或CAN总线相比,它只能处理短距离内的数据传输。 (距离可以通过使用收发器如RS-422进行扩展)
  • 有许多现有的变体,使得很难找到支持这些变体的主机适配器等开发工具
  • SPI不支持热交换 (动态添加节点)。
  • 中断必须通过带外信号来实现,或者通过使用类似于USB 1.1和2.0的定期轮询来伪造
  • 一些变体,如双路SPI , 四路SPI和三线SPI是半双工的。

参见

  • I²C
  • 网络总线列表

外部链接

  • Introduction to Serial Peripheral Interface article on embedded.com
  • Serial buses information page
  • SPI Introduction with helpful diagrams
  • Serial Flash Lots of good information on SPI part manufacturers and models.
  • SPI - PICmicro Serial Peripheral Interface Microchip (company) tutorial on SPI.


相关

  • 受浸根据《对观福音》三书中的《马太福音》第3章、《马可福音》第1章和《路加福音》第3章记载,耶稣在施洗约翰处受洗礼。施洗约翰宣扬为了将来的审判,凡为罪悔改者就为其施洗,并预
  • ǀ不送气齿搭嘴音(Tenuis dental click)是一种辅音,主要出现于南非的一些口语中。其中,术语“不送气”(tenuis)又称“无声爆破音”,特指清音、不送气(unaspirated)、未颚音化、未声门化
  • 铝土矿铝土矿(英语:Bauxite)是最重要的含铝矿物,主要成分为Al(OH)3、软水铝石、硬水铝石,及针铁矿、赤铁矿、石英等。铝土矿1821年首次被地质学家Pierre Berthier发现,其英文名Bauxite也
  • 英格里人英格里芬兰人或英格里人(芬兰语:inkeriläiset,inkerinsuomalaiset;俄语:Ингерманландцы)是居住在英格里亚(现俄罗斯列宁格勒州的中部区域)的芬兰人。他们是在17世纪
  • 裕 祥裕祥(?-1903年),清朝政治人物。满洲镶黄旗人。同进士出身。廪膳生出身。同治十二年(1873年),乡试中举。光绪二年(1876年)登进士,以内阁中书用。光绪三年,满本堂中书、国史馆校对官。光绪
  • 曼哈顿滩曼哈顿海滩(英文:Manhattan Beach),是美国加利福尼亚州洛杉矶县下属的一座城市。建市于1912年12月12日,面积 大约为3.94平方英里 (10.2平方公里)。根据2010年美国人口普查,该市有
  • 洛特卡-沃尔泰拉方程洛特卡-沃尔泰拉方程(Lotka-Volterra equation)别称掠食者—猎物方程。是一个二元一阶非线性微分方程组成。经常用来描述生物系统中,掠食者与猎物进行互动时的动态模型,也就是两
  • 蝙蝠算法蝙蝠算法(Bat Algorithm,缩写 BA),是一种元启发式优化算法,是杨新社(音译自:Xin-She Yang)在2010年提出的算法。这个蝙蝠算法以微蝙蝠(microbats)回声定位行为的基础,采用不同的脉冲发
  • 汪胡桢汪胡桢(1897年7月12日-1989年10月13日),复姓汪胡,浙江嘉兴人,中国水利专家、中国科学院院士。汪胡桢于1915年自浙江省立第二中学毕业,后考入南京河海工程专门学校。1917年前往美国
  • 阿尔伯特·奈瑟阿尔伯特·路德维希·西格斯蒙德·奈瑟 (德语:Albert Ludwig Sigesmund Neisser,1855年1月22日-1916年7月30日)是一位德国医生,著名于淋病病原体的发现,并以他命名。奈瑟生于德意