SPI 接口： 简单不简单

SPI 串行外设接口总线，最早由Motorola提出，出现在其M68系列单片机中，由于其简单实用，又不牵涉到专利问题，因此许多厂家的设备都支持该接口，广泛应用于外设控制领域。SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的。但正因为没有确切的版本协议，不同家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法直接互连（需要软件进行必要的修改）。虽然SPI接口的内容非常简单，但本文仍将就其中的一些容易忽视的问题进行讨论。SPI ( Serial Peripheral Interface ) SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。 时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。
    
SPI接口信号线SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。设备选择线SS-（Slave select，或CS-）SS-线用于选择激活某Slave设备，低有效，由Master驱动输出。只有当SS-信号线为低电平时，对应Slave设备的SPI接口才处于工作状态。SCLK：同步时钟信号线，SCLK用来同步主从设备的数据传输，由Master驱动输出，Slave设备按SCK的步调接收或发送数据。串行数据线：SPI接口数据线是单向的，共有两根数据线，分别承担Master到Slave、Slave到Master的数据传输；但是不同厂家的数据线命名有差别。Motorola的经典命名是MOSI和MISO，这是站在信号线的角度来命名的。MOSI：When master, out line; when slave, in lineMISO：When master, in line; when slave, out line比如MOSI，该线上数据一定是Master流向Slave的。因此在电路板上，Master的MOSI引脚应与Slave的MOSI引脚连接在一起。双方的MISO也应该连在一起，而不是一方的MOSI连接另一方的MISO。 不过，也有一些产家（比如Microchip）是按照类似SDI,SDO的方式来命名，这是站在器件的角度根据数据流向来定义的。SDI：串行数据输入SDO：串行数据输出这种情况下，当Master与Slave连接时，就应该用一方的SDO连接另一个方的SDI。由于SPI接口数据线是单向的，故电路设计时，数据线连接一定要正确，必然是一方的输出连接另一方的输入。其实这个问题本来很简单的，但由于不同厂家产品的命名习惯可能不同，因此还需小心，以免低级出错。数据传输的时序模式 为了适用不同产品接口应用需要，SPI接口定义了多种时序传输模式，并可通过设置接口单元寄存器中的相关控制位来选择。在Motorola的产品中，时序即是由两个控制位（极性控制、相位控制）来控制的。

时钟极性选择位CPOL：
在设备被使能激活后，还未进行数据传输时或两个字节数据传输间歇期间（见图3中的○1与○2处），SCLK处于空闲（Idle）电平，通过"CPOL空闲状态极性控制位"可以选择此空闲电平电平是0还是1。
时钟相位选择位CPHA：
该控制位用来选择数据接收端设备的采样时刻。可能在Idle to Active的跳变沿（见图3中的红色圈处），也可能在Active to Idle的跳变沿（见图3中的蓝色圈处）。在该采样时刻，线上数据必须已经稳定可靠，因此数据发送端设备应提前将数据移出到数据线上。为了降低设计难度，大部分接口电路都是用同一时钟周期中前一个时钟沿（即相反时钟变化方向）将数据移出。
SPI线上的Master，Slave设备必须根据具体情况设置匹配的传输时序模式，时序只有匹配，数据传输才能正常进行。如果设置的不匹配，可能导致数据接收方和发送方在同一时钟沿作用，导致数据传输失败。
    
我们以手机设计中非常流行的触摸屏控制器TSC2046为例，介绍SPI接口的实际应用。
由于TSC2046采样触摸屏信息并量化出最高位需要一定时间，而SPI总线没有握手机制，为避免Master过早的启动传输，接收无效数据，TSC2046引入了BUSY信号作为TSC2046向Master的指示。
TSC2046是在时钟的第一个Idle to Active沿采集数据（下图1处），而在第一个（下一字节）Active to Idle 沿开始移出数据（下图2处），这导致Master只能在第二个dle to Active沿采集到的数据才是有效的（下图3处），而在第一个Idle to Active沿（下图1处）采集的数据是无效的，因此在软件中需要将该Bit丢弃。
可见，必须根据Master与Slave的实际时序进行匹配，软件也需要进行对应的调整，才能保证数据传输的正常进行。
  
 多Slave的应用
SPI也支持多Slave应用。多个Slave共享时钟线、数据线，可以直接并接在一起；而各Slave的片选线SS则单独与Master连接，受Master控制。在一段时间内，Master只能通过某根SS线激活一个Slave，进行数据传输，而此时其他Slave的时钟线和数据线端口则都应保持高阻状态，以免影响当前数据传输的进行。
         
SPI  Vs  I2C
SPI协议没有定义寻址机制，需通过外部SS信号线选择设备，当出现多slave应用时，需要多根SS信号线，实施起来较I2C要复杂。此外，SPI总线不支持总线控制权仲裁，故只能用在单Master的场合；而I2C可以支持多Master的应用。
SPI 协议相对I2C要简单，没有握手机制，数据传输效率高，速率也更快，通常应用中可达几Mbps；此外SPI是全双工通信，可同时发送和接收数据，因此，SPI比较适合用于数据传输的场合。比如需要较大批量数据传输的场合（比如MMC/SD卡的数据传输就支持SPI模式），或者无需寻址传输的场合。
而I2C协议功能较丰富，但也相对复杂，多用在传输一些控制命令字等有意义数据的场合。
比如TSC2046只有一个控制寄存器（一个8bit的命令字），使用SPI接口即可控制，因为无需寻址。而OV的Cmos Sensor内有多个控制寄存器，此时就必须使用I2C接口才能实现寻址控制（哦，确切的是SCCB，一个很像I2C的东东）。
SPI接口属于一种非常基本的外设接口，但是应用却很广泛。SPI也有所发展，比兔NS推出的SPI的精简接口Microwire，满足通常外设的扩展需求。Motorola还推出了扩展功能的QSPI（Queued SPI）接口，应用更为广泛。
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