SPI协议的通信原理

原创 专注于无线通信的蓬勃 2022-04-21 21:09

零. 声明


本专栏文章我们会以连载的方式持续更新,本专栏计划更新内容如下:

第一篇:ESP-IDF基本介绍,主要会涉及模组,芯片,开发板的介绍,环境搭建,程序编译下载,启动流程等一些基本的操作,让你对ESP-IDF开发有一个总体的认识,比我们后续学习打下基础!

第二篇:ESP32-IDF外设驱动介绍,主要会根据esp-idf现有的driver,提供各个外设的驱动,比如LED,OLED,SPI LCD,TOUCH,红外,Codec ic等等,在这一篇中,我们不仅仅来做外设驱动,还会对常用的外设总线做一个介绍,让大家知其然又知其所以然!

第三篇:目前比较火热的GUI LVGL介绍,主要会设计LVGL7.1,LVGL8的移植介绍,并且也会介绍各个组件,知道原理后,最后,我们会推出一款组态软件来构建我们的GUI,来提升我们的效率!

第四篇:ESP32-蓝牙,熟悉我的,应该都知道,我即使从事蓝牙协议栈的开发的,所以这个是我们独有的优势,在这一篇章,我们会提供不仅仅是蓝牙应用方法的知识,也会应用结合蓝牙底层协议栈的理论,让你彻底从上到下打通蓝牙任督二脉!

第五篇:Wi-Fi介绍,熟悉我的,应该也知道,我们也做过一款sdio wifi的驱动教程板子,所以在wifi这方面我们也是有独有的优势,在这一篇章,我们同样不仅仅提供Wi-Fi应用方面的知识,也会结合底层理论,让你对Wi-Fi有一个清晰的认知!

另外,我们的教程包括但是不局限于以上篇章,为了给你一个更好的导航,以下信息尤其重要,请详细查看!!

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一.概念

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议 (Serial Peripheral Interface),即串行外围设备接口,是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间,要求通讯速率较高的场合。

二.SPI 物理层

SPI 通讯设备之间的常用连接方式见图:

SPI 通讯使用 3 条总线及片选线,3 条总线分别为 SCK、MOSI、MISO,片选线为 SS(也叫做CS),它们的作

用介绍如下:

(1) ( Slave Select):从设备选择信号线,常称为片选信号线,也称为 NSS、CS,以下用 NSS 表示。当有多个 SPI 从设备与 SPI 主机相连时,设备的其它信号线 SCK、MOSI 及 MISO 同时并联到相同的 SPI 总线上,即无论有多少个从设备,都共同只使用这 3 条总线;而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线,本信号线独占主机的一个引脚,即有多少个从设备,就有多少条片选信号线。I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯;而 SPI 协议中没有设备地址,它使用 NSS 信号线来寻址,当主机要选择从设备时,

把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平,该从设备即被选中,即片选有效,接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI 通讯。所以 SPI 通讯以 NSS 线置低电平为开始信号,以 NSS 线被拉高作为结束信号。

(2) SCK (Serial Clock):时钟信号线,用于通讯数据同步。它由通讯主机产生,决定了通讯的速率,不同的设备支持的最高时钟频率不一样,两个设备之间通讯时,通讯速率受限于低速设备。

(3) MOSI (Master Output, Slave Input):主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出,从机由这条信号线读入主机发送的数据,即这条线上数据的方向为主机到从机。

(4) MISO(Master Input,, Slave Output):主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据,从机的数据由这条信号线输出到主机,即在这条线上数据的方向为从机到主机。

三.SPI时序图

我们来看下SPI的时序图,一共有4种模式,也就是根据“时钟极性CPOL”和“时钟相位 CPHA”不同组合搭配而来。

为了方便说明,我们先来介绍下CPOL跟CPHA

时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时,SCK 信号线的电平信号 (即 SPI 通讯开始前、NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时,SCK 在空闲状态时为低电平.

CPOL=1 时,SCK 在空闲状态时为高电平.

时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻,

当 CPHA=0 时,MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。

当 CPHA=1 时,MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在SCK 时钟线的“偶数边沿”被采样。

介绍完毕这些,我们来介绍下具体的时序图:

1.CPHA=0

我们来分析这个 CPHA=0 的时序图。首先,根据 SCK 在空闲状态时的电平,分为两种情况。

SCK信号线在空闲状态为低电平时,CPOL=0;

SCK信号线在空闲状态为高电平时,CPOL=1。

无论 CPOL=0 还是 =1,因为我们配置的时钟相位 CPHA=0,在图中可以看到,采样时刻都是在SCK 的奇数边沿。注意当 CPOL=0 的时候,时钟的奇数边沿是上升沿,而 CPOL=1 的时候,时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变,数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样,在非采样时刻,MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。

2.CPHA=1

我们来分析这个 CPHA=1 的时序图。首先,根据 SCK 在空闲状态时的电平,分为两种情况。

SCK信号线在空闲状态为低电平时,CPOL=0;

SCK信号线在空闲状态为高电平时,CPOL=1。

无论 CPOL=0 还是 =1,因为我们配置的时钟相位 CPHA=1,在图中可以看到,采样时刻都是在SCK 的偶数边沿。注意当 CPOL=0 的时候,时钟的奇数边沿是上升沿,而 CPOL=1 的时候,时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变,数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样,在非采样时刻,MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。

总结下模式:

参考文档:

1.野火 STM32 HAL库开发指南

2.SPI协议

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