序列周邊界面

串列外設接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一種用於短程通信的同步串列通信接口規範，主要套用於單片機系統中。類似I2C。 這種接口首先被Motorola（摩托羅拉）公司開發，然後發展成了一種行業規範。典型套用包含SD卡和液晶顯示器。 SPI設備之間使用全雙工模式通信，包含一個主機和一個或多個從機。主機產生待讀或待寫的幀數據，多個從機通過一個片選線路 決定哪個來回響主機的請求。 有時SPI接口被稱作四執行緒接口，SPI準確來講稱為同步串列接口，但是與同步串列接口協定（SSI）不同，SSI是一個四執行緒 同步通信協定，但是使用差分信號輸入同時僅提供一個單工通信信道。

基本介紹

  • 中文名：序列周邊界面
  • 外文名：Serial Peripheral Interface Bus
  • 領域：計算機
接口,操作,數據傳輸,獨立的從設備配置,中斷,SPI代碼示例,優點,缺點,參見,

接口

SPI匯流排規定了4個保留邏輯信號接口：
  • SCLK（Serial Clock）：串列時鐘，由主機發出；
  • MOSI（Master Output,Slave Input）：主機輸出從機輸入信號，由主機發出；
  • MISO（Master Input,Slave Output）：主機輸入從機輸出信號，由從機發出；
  • SS（Slave Selected）：選擇信號，由主機發出，一般是低電位有效。
儘管上面的引腳名稱是最常用的，但在過去，有時會使用其他引腳命名約定，因此舊IC產品的SPI連線埠引腳名稱可能有所不同。

操作

SPI匯流排可以在有單個主設備與一個或多個從設備的情況下運行。
如果使用單個從設備，則如果從設備允許，SS引腳可以固定為邏輯低電平。 一些從設備需要片選信號的下降沿來啟動一個動作。 Maxim MAX1242 ADC就是一個例子，它在高→低轉換時開始轉換。 對於多個從設備，每個從設備都需要一個獨立的SS信號。
大多數從屬設備具有三態輸出的特性，所以當器件未被選中時，它們的MISO信號變為高阻抗 （ 邏輯斷開 ）。 沒有三態輸出的器件不能與其他器件共享SPI匯流排段; 只有一個這樣的從設備可以與主設備交換信息。

數據傳輸

為了開始通信，匯流排上的主設備需要使用從設備支持的頻率來配置時鐘，通常是幾個MHz。 然後主設備將某根連線到從設備SS的線上的信號置為0來選中這個從設備。 如果需要等待一段時間（例如進行模數轉換），主器件在發出時鐘周期之前必須至少等待這段時間。
在每個SPI時鐘周期內，都會發生全雙工數據傳輸。 主設備在MOSI線上傳送一個位，從設備讀取它，同時從機在MISO線上傳送一位數據，主機讀取它。 即使只有單向數據傳輸的目的，工作方式仍然是雙工的。
傳輸通常會使用到給定字長的兩個移位暫存器，一個在主設備中，一個在從設備中; 它們以虛擬環形拓撲連線。 數據通常先移出最大的位。 在時鐘邊沿，主機和從機均移出一位，然後在傳輸線上輸出給對方。 在下一個時鐘沿，每個接收器都從傳輸線接受該位，並設定為移位暫存器的新的最低有效位。 在完成這樣一個移出-移入的周期後，主機和從機就交換暫存器中的一位。 如果需要更多的數據交換，則需要重新載入移位暫存器並重複該過程。 傳輸可能會持續任意數量的時鐘周期。 完成後，主設備會停止切換時鐘信號，並通常會取消選擇從設備。
傳輸暫存器通常包含8位。 但是，其他字長也很常見，例如，用於觸控螢幕控制器或音頻編解碼器的16位（如德州儀器的TSC2101），或者用於許多數字-模擬或模擬-數字轉換的12位。
未使用片選線激活的匯流排上的每個從設備必須忽略輸入時鐘和MOSI信號，並且不得驅動MISO。

獨立的從設備配置

在獨立的從設備配置中，每個從設備都有獨立的晶片選擇線。 強烈建議在每個獨立器件上使用電源和片選線之間使用上拉電阻，以減少器件之間的串擾。 這是SPI通常被使用的方式。 由於從機的MISO引腳連線在一起，因此它們需要為三態引腳（高，低或高阻抗）。

中斷

SPI從設備有時會使用另一條信號線將中斷信號傳送到主設備的CPU。 例子包括來自觸控螢幕感測器的筆下中斷，來自溫度感測器的熱限制警報，實時時鐘晶片發出的警報，SDIO以及來自手機中聲音編解碼器的耳機插孔插入。 SPI標準中並不包括中斷。 中斷的使用既不被禁止也不被標準規定。

SPI代碼示例

/* * 通過SPI協定在主設備和從設備之間交換一個位元組的數據 * * Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.: *   - 輸入數據在SCLK的上升沿捕獲。 *   - 輸出數據在SCLK的下降沿傳播。 * * 返回接收到的一位元組的數據 */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;}

優點

  • SPI協定默認是全雙工通信；
  • 推挽式驅動器 （與開路漏極相反）可提供良好的信號完整性和高速度；；
  • 比I2C或SMBus更高的吞吐量 。 不限於任何最大時鐘速度，可實現高速運行
  • 完整的傳輸位協定靈活性
  • 不限於8位字；
  • 訊息大小，內容和目的的任意選擇；
非常簡單的硬體接口；
由於電路較少（包括上拉電阻），因此通常比I2C或SMBus的功耗要低；
沒有仲裁或相關的失敗模式；；
從設備直接使用主時鐘，不需要精密振盪器
從站不需要唯一的地址 - 不像I2C或GPIB或SCSI；
不需要收發器；
IC封裝只使用四個引腳，而電路板布局或連線器則少於並行接口；
每個器件至多有一個獨特的匯流排信號（晶片選擇）；其他信號均可以共享；
信號是單向的，允許簡單的電偶分離；
簡單的軟體實現。

缺點

  • 即使是三線式SPI，也需要比I2C更多的IC封裝引腳；
  • 沒有帶內定址; 共享匯流排上需要帶外片選信號；
  • 從機沒有硬體流量控制 （但主機可以延遲下一個時鐘邊沿以降低傳輸速率）；
  • 沒有硬體從設備確認（主機可能無法傳輸並且不知道這一點）；
  • 通常只支持一個主設備（取決於設備的硬體實現）；
  • 沒有定義錯誤檢查協定；
  • 沒有正式的標準，驗證一致性是不可能的；
  • 與RS-232，RS-485或CAN匯流排相比，它只能處理短距離內的數據傳輸。 （距離可以通過使用收發器如RS-422進行擴展）；
  • 有許多現有的變體，使得很難找到支持這些變體的主機適配器等開發工具；
  • SPI不支持熱交換 （動態添加節點）；
  • 中斷必須通過帶外信號來實現，或者通過使用類似於USB 1.1和2.0的定期輪詢來偽造；
  • 一些變體，如雙路SPI，四路SPI和三線SPI是半雙工的。

參見

  • I2C
  • 網路匯流排列表

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