嵌入式硬件通信接口協議中的串行通信接口-SPI

　　本節繼續講嵌入式硬件通信接口協議中的另外一個串行通信接口-SPI。相比于UART串口協議，SPI又有著其獨特之處。

　　簡介

　　SPI(全稱SerialPeripheral Interface)，串行外設接口。

　　SPI是串行外設接口(SerialPeripheral Interface)的縮寫。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，如今越來越多的芯片集成了這種通信協議，比如AT91RM9200。

　　--from 百度百科

　　該接口由摩托羅拉在20世紀80年代中期開發，并已成為事實標準。

　　--from Wiki

　　從維基百科查閱的的“事實標準”，在這來科普一下知識盲點：

　　事實標準是指非由標準化組織制定的，而是由處于技術領先地位的企業、企業集團制定(有的還需行業聯盟組織認可，如DVD標準需經DVD論壇認可)，由市場實際接納的技術標準。

　　--from 百度百科

　　SPI接口定義了一主多從這樣的一個通信架構，在同一SPI總線上只有一個主機，可以有多個從機。這樣的架構就限制了通信的主動權只能在主機端，主機發起一次通信，從機做出想要。

　　信號線

　　SPI被稱為四線串行總線，其信號線分別有：

　　SCLK：串行時鐘(主機輸出)

　　MOSI：主輸出從機輸入或主機輸出從機輸入(主機輸出的數據)

　　MISO：主輸入從輸出或主輸入從輸出(從輸出的數據輸出)

　　SS：從機選擇(通常為低電平有效，主機輸出)

　　信號線命名也是五花八門，以下的命名也是會遇見的：

　　串口時鐘：

　　SCLK：SCK

　　主輸出--->從輸入(MOSI)：

　　SIMO，MTSR - 對應主設備和從設備上的MOSI，相互連接

　　SDI，DI，DIN，SI - 在從設備上; 連接到主設備上的MOSI，或連接到下面的連接

　　SDO，DO，DOUT，SO - 在主設備上; 連接到從站上的MOSI，或連接到上面的連接

　　主輸入<---從輸出(MISO)：

　　SOMI，MRST - 對應主設備和從設備上的MISO，相互連接

　　SDO，DO，DOUT，SO - 在從設備上; 連接到主設備上的MISO，或連接到下面的連接

　　SDI，DI，DIN，SI - 主設備; 連接到奴隸上的MISO或上面的連接

　　從機選擇：

　　SS：SSEL，CS，CE，nSS，/ SS，SS#

　　以上容易讓人混淆的名字是SDO、SDI、DOUT、DIN等，這些都需要看具體印在主設備還是從設備上單獨討論。但是一般的還是盡量寫清寫規范，這樣不容易產生歧義。

　　SPI作為同步串行接口，可以認為有兩個同步信號，第一個是從機選擇SS信號，告知被選中的從機，準備開始進行SPI通信，第二個是同步時鐘信號SCLK，收發雙方進行數據的交互時，都是基于SCLK的跳變進行逐bit輸出和采樣的。

　　四根信號線并非全部都需要，根據工作模式，可以配置成兩線、三線。

　　在STM32CubeMX工具的配置頁面，可以很清楚看到，配置不同的工作模式時，對應被使能的芯片管腳有何不同：

　　對比發現，全雙工的四線和三線的區別是從機選擇信號NSS。這種情況一般是因為SPI總線上只有一主一從的通信架構，從機的NSS信號一直接低電平，不需要做從機選擇。

　　信號時序

　　四線SPI接口的時序一般的總是先拉低從機選擇信號線SS，然后輸出SCLK，帶著數據MOSI，此時MISO為高阻態。大致如下如：

　　一般有SPI接口的器件，在Spec上都會有對應的時序圖，這里分別截取SPI接口FLASH型號為GD25Q32C、SPI接口OLED型號為QG-2832TLBFG04，這兩器件的Spec內關于SPI時序部分的介紹，如下兩張截圖：

　　對比不難發現，時序圖的規范，定義了各個信號線輸出電平的順序和時延，還定義了時鐘信號跳變沿與數據信號的“對齊”，這里的“對齊”實際上就是數據的輸出和采樣。

　　同樣的，這個時序規范了SPI器件所呈現的SPI接口信號線特性，包括：時鐘上升、下降沿時長;片選與時鐘跳變沿之間的時延;時鐘邊緣與數據線保持的時長…

　　這些時序特性，都在明確了SPI主機與其通信時，要求不超出其定義的范圍，否則從機器件響應不及時而導致通信異常。

　　不同的器件，對SPI接口的信號時序要求也會不同。第一張簡明的時序圖，而基于這樣的時序圖，SPI接口又可以配置不同的接口配置參數。

　　接口配置項

　　一般在開發時，接口的可選配置有：接口模式(實際配置的是單、雙工模式選擇)、設備主從模式、數據寬度、時鐘極性(CPOL:)、時鐘相位(CPHA)、時鐘速率、數據bit位大小端選擇。

　　接口模式

　　標準的四線SPI接口，使用的場景是主從機進行數據交互的通信，兩方都有數據的收發過程，而在LCD/OLED這樣的SPI接口作為從設備的器件中，就不需要數據返回給主機，只需要接收來自主機的控制信息和顯示的數據。

　　基于這樣的使用場景，就可以配置成三線的單工通信，即僅需要從機選擇SS、時鐘SCLK、數據輸出MOSI即可。

　　設備主從模式

　　這個配置一般需要看芯片是否支持，可將芯片配置成SPI主機或者從機，能更好地集成在項目的系統中。

　　數據寬度

　　顧名思義，就是發送數據可以配置成8bit、16bit等，這也是根據芯片而定。

　　時鐘極性、時鐘相位

　　這兩者分別是CPOL(Clock Polarity)、CPHA(Clock Phase)，極性就是指高低電平，這個定義了SPI總線在空閑狀態下，時鐘保持高電平還是低電平，因為這個關系到了SPI通信時第一個時鐘跳變沿是上升還是下降沿;相位指的是時鐘的跳變沿，指定了數據信號的輸出和采樣如何與時鐘對齊。

　　這兩個配置，在Wiki和百度百科上都做了非常清晰的解釋，這里截圖引用如下：

　　時鐘速率

　　速率選擇定義了時鐘信號線在數據傳輸是的翻轉速率，這體現到每個芯片定義的接口時序圖中，即可承受的速率范圍，如果主機設的速率太快，而從機響應過慢會導致通信失敗。

　　數據bit位大小端選擇

　　數據的發送優先bit可配置，從上篇的UART協議可以知道，UART規定了數據優先發bit0，而這個SPI是可配置優先發送bit的，可設置最低位或者最高位。

　　從FLASH型號為GD25Q32和OLED型號為QG-2832TLBFG04的時序截圖可看到，這兩個器件都是優先發MSB，也就是最高位優先。

　　再對比一款字庫芯片型號為GT21L16S2W的讀取指令：

　　可見SPI器件普遍采用MSB的發送優先順序。

　　總結SPI通信接口，一主多從的通信架構，標準模式有四根信號線、依靠選擇信號SS開始通信、時鐘信號SCLK進行逐bit輸出和采樣、可配置的采樣時刻和可選擇的優先發出bit。

　　參考資料：

　　《SPI》@百度百科

　　《SPI》@Wiki