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SPI
阅读:156287时间:2010-12-24 09:38:11

  由于SPI(setial peripheralinterface)总线占用的接口线少,通信效率高,并且支持大部分处理器芯片,因而是一种理想的选择。SPI是利用4根信号线进行通信的串行接口协议,包括主/从两种模式。4个接口信号为:串行数据输入(MISO,主设备输入、从设备输出)、串行数据输出(MOSI,主设备输出、从设备输入)、移位时钟(SCK)、低电平有效的从设备使能信号(cs)。SPI最大的特点是由主设备时钟信号的出现与否来确定主/从设备间的通信。一旦检测到主设备的时钟信号,数据开始传输。

工作方式简介

  SPI是由美国摩托罗拉公司最先推出的一种同步串行传输规范,也是一种单片机外设芯片串行扩展接口。

  SPI模式可以允许同时同步发送和接收8位数据,并支持4种工作方式:

  1. 串行数据输出,对应RC5/SDO引脚;

  2. 串行数据输入,对应RC4/SDI/SDA引脚;

  3. 串行时钟,对应RC3/SCK/SCL引脚;

  4. 从动方式选择,对应RA5/SS/AN4引脚。

  SPI模式下与之相关的寄存器有10个,其中4个是与I2C模式共用的。

  图1所示是由一个主机对接一个从机进行全双工通信的系统构成的方式。在该系统中,由于主机和从机的角色是固定不变的,并且只有一个从机,因此,可以将主机的丽端接高电平,将从机的SS端固定接地。

全双工主机/从机连接方法

  图1 全双工主机/从机连接方法

  若干个具备SPI接口的单片机和若干片兼容SPI接口的外围芯片,可以在软件的控制下,构成多种简单或者复杂的应用系统,例如以下3种。

  (1)一个主机和多个从器件的通信系统。

  如图2所示,各个从器件是单片机的外围扩展芯片,它们的片选端SS分别独占单片机的一条通用I/O引脚,由单片机分时选通它们建立通信。这样省去了单片机在通信线路上发送地址码的麻烦,但是占用了单片机的引脚资源。当外设器件只有一个时,可以不必选通而直接将SS端接地即可。

一个主机扩展多个外围器件

  图2 一个主机扩展多个外围器件

  (2)几个单片机互相连接构成多主机通信系统。

  图3所示为3个既可以当做主机也可以当做从机的单片机组成的系统。

多主机通信系统连接方法

  图3 多主机通信系统连接方法

  (3)主机、从机和从器件共同组成的应用系统。

  图4所示为一个主机、一个从机和多片外设芯片组成的应用系统。这些外设芯片有的只接收来自单片机信息,有的只向单片机提供信息,还有的既接收也发送信息。

主机、从机和从器件互连

  图4主机、从机和从器件互连

数据传输

  SPI主设各负责产生系统时钟,并决定整个SPI网络的通信速率。所有的SPI设各都采用相同的接口方式,可以通过调整处理器内部寄存器改变时钟的极性和相位。由于SPI器件并不一定遵循同一标准,比如EEPROM、DAC、ADC、实时时钟及温度传感器等器件的SPI接口的时序都有所不同,为了能够满足不同的接口需要,采用时钟的极性和相位可配就能够调整SPi的通信时序。

  SPI设各传输数据过程中总是先发送或接收高字节数据,每个时钟周期接收器或收发器左移1位数据。对于小于16位的数据在发送之前必须左对齐,如果接收的数据小于16位则采用软件将无效的数据位屏蔽,如图1所示。

  SPI接口有主和从两种操作模式,通过MASTER/SLAVE位(SPICTL.2)选择操作模式以及SPICLK信号的来源,如图2所示。

SPI通信数据格式

  图1 SPI通信数据格式

SPI主控制器/从控制器的连接

  图2 SPI主控制器/从控制器的连接

用户逻辑

  该模块针对用户不同的应用来设计,本质上就是用户的具体业务应用,与SPI-4接口没有直接关系。当应用支持多个端口时,这部分就显得至关重要。下面以支持两个端口的应用来说明用户逻辑的设计技巧。

  (1)Sink Core的用户逻辑

  端口为两个时,用户逻辑就需要用两个不同的FIFO根据端口的地址等来分别缓存用户的两个业务数据.同时根据FIFO的情况来发出流控信息给SP14数据接口,如图1所示。

Sink Ceore 两个端口的用户逻辑

  图1 Sink Ceore 两个端口的用户逻辑

  (2) Source Core的用户逻辑

  当端口为两个时,用户逻辑就需要根据流控信息和两个不同的FffiOffJ情况来做仲裁,谀定哪个用户逻辑FIFO需要发送给SPI4数据接口,如图2所示。

Source Core2个端口的用户逻辑

  图2 Source Core2个端口的用户逻辑

基本原理与结构

  串行外围设备接口(SPI)是由Motorola公司开发的、用来在微控制器和外围设备芯片之间实现数据交换的低成本、易使用接口。与标准的串行接口不同,SPI是一个同步协议接口,全双工通信,所有的传输都参照一个共同的时钟,这个同步时钟信号由主机产生。接收数据的外设使用时钟对串行比特流的接收进行同步化。其传输速度可达几Mb/s。

  SPI主要使用4个信号:MISO(主机输入/从机输出)、MOSI(主机输出/从机输入)、 SCLK(串行时钟)、(外设片选或从机选择)。

  MISO信号由从机在主机的控制下产生。信号用于禁止或使能外设的收发功能。为高电平时,禁止外设接收和发送数据;为低电平时,允许外设接收和发送数据。图1所示是微处理器通过SPI与外设连接的示意图。


  主机和从机都有一个串行移位寄存器,主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机,从机也将自己的移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机(如图2所示)。这样,两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。


  如果只进行写操作,主机只需忽略接收到的字节;反之,若主机要读取从机的一个字节,就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

  当主机发送一个连续的数据流时,有些外设能够进行多字节传输。多数具有SPI接口的存储芯片就以这种方式工作。在这种传输方式下,从机的片选端必须在整个传输过程中保持低电平。此时,一次传输可能会涉及到成千上万字节的信息,而不必在每个字节的数据发送的前后都去检测其起始位和结束位,这正是同步传输方式优于异步传输方式的原因所在。

  虽然SPI有以上优点,然而在图像传输中却很少用到,原因主要是其抗干扰能力差。SPI采用的是单端非平衡的传输方式,即传输的数据位的电压电平是以公共地作为参考的。在这种传输方式中,对于已进入信号中的干扰是无法消除和减弱的。而信号在传输过程中总会受到干扰,而且距离越长干扰越严重,以致于信号传输产生错误。在这种条件下,信号传输就变得毫无意义了。另外,由于单端非平衡传输方式以公共地作为参考点,地线作为信号回流线,因此也存在信号电流。当传输线两端的系统之间存在交流电位差时,这个电位差将直接窜到信号中,形成噪声干扰。所以,为了解决抗干扰问题,通常采用平衡传输(balanced transmission)方式,这里采用比较常见的RS-422。

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