SPI：硬件设计、协议及速率全面剖析

SPI硬件电路

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种嵌入式产品常用的板级高速、全双工通信总线。

它采用1主多从的方式进行通信。

整个通信的物理层通常需要(3+N)根线。

3指的是：SCK、MOSI、MISO

N指的是片选线：片选线的数量取决于具体的从机数量及从机配置模式；

1从机时： 只需要1根片选

多从机时：如果支持菊花链模式，也仅需要1根片选；如果不支持菊花链，则每个从机都需要独立的片选。

S\S\ : Slave Select

SCK : Serial Clock

MOSI: Master Output, Slave Input

MISO: Master Input, Slave Output

空闲状态下SCK的电平由CPOL控制、总线运行时的数据采样时刻由CPHA决定，关于CPOL和CPHA的定义在SPI总线标准中的描述如下：

CPOL — SPI Clock Polarity Bit

1 = Active-low clocks selected. In idle state SCK is high.

0 = Active-high clocks selected. In idle state SCK is low.

CPHA — SPI Clock Phase Bit

1 = Sampling of data occurs at even edges (2,4,…,16) of the SCK clock

0 = Sampling of data occurs at odd edges (1,3,…,15) of the SCK clock

简介总结为：

CPOL: Clock POLarity 时钟极性

CPHA: Clock PHAse 时钟相位

CPOL: 决定总线空闲时CLK时钟的极性（0为低电平，1为高电平）

CPHA: 决定数据何时进行采样（0为在时钟的第1个跳变边沿进行采样，1位在时钟的第2个跳变边沿采样）

由此，可以定义出SPI通信时的4种传输模式：

参考原文：《SPI通信的4种传输模式》

SPI时序讲解

一、SPI主从通信：

SPI的基本结构相当于两个8位移位寄存器的首尾相接，构成16位的环形移位寄存器，从而实现了主机与从机的数据交换；

二、SPI通讯模式

SPI有4种不同的传输时序，取决于时钟极性CPOL和时钟相位CPHA的组合。

CPHA是用来控制数据是在第一个跳变沿还是第二个跳变沿采集的。

通过上图可以看到：

CPHA=0的时候，数据是在第一个跳变沿的时候就会被采集。
CPHA=1的时候，数据是在第二个跳变沿的时候才会被采集。

那问题来了，到底是上升沿还是下降沿采集？

这个就由CPOL来决定了：

CPOL=1的时候是上升沿采集。CPOL=0的时候是下降沿采集。

除此以外，CPOL还决定了我们时钟线SCLK空闲时的状态。

CPOL=0的时候表示SCLK在空闲时为低电平。
CPOL=1的时候表示SCLK在空闲时为高电平。

Ok，明白了这个，我们再分析4种模式的时序图。

1.模式0(CPOL=0 CPHA=0)

CPOL = 0：时钟线空闲时是低电平，第1个跳变沿是上升沿，第2个跳变沿是下降沿

CPHA = 0：数据在第1个跳变沿（上升沿）采样

时序图如下：

2.模式1(CPOL=0 CPHA=1)

CPOL = 0：空闲时是低电平，第1个跳变沿是上升沿，第2个跳变沿是下降沿

CPHA = 1：数据在第2个跳变沿（下降沿）采样

时序图如下：

3.模式2(CPOL=1 CPHA=0)

CPOL = 1：空闲时是高电平，第1个跳变沿是下降沿，第2个跳变沿是上升沿

CPHA = 0：数据在第1个跳变沿（下降沿）采样

时序图如下：

4.模式3(CPOL=1 CPHA=1)

CPOL = 1：空闲时是高电平，第1个跳变沿是下降沿，第2个跳变沿是上升沿

CPHA = 1：数据在第2个跳变沿（上升沿）采样

时序图如下：

三、示例分析

实际芯片的Datasheet中，大部分是不会给出SPI时序图工作模式，此时需要根据时钟和数据读取方式判断工作模式。

从CLK看支持Mode 0,空闲时低电平，第一个上升沿采样。

时序分析如下：

1. CS拉低，开始通信；

2. CLK引脚上出现脉冲，在脉冲的边沿上，I/O引脚开始脱离高阻态，最多占用一个时钟周期；

3. MOSI引脚发送指令0x0Bh，MISO引脚处于高阻态，占用八个时钟周期；

4. MOSI引脚按照大端序发送24位地址，先发送高字节，MISO引脚处于高阻态，共占用24个时钟周期；

5. MOSI和MISO均进入高阻态，等待八个时钟周期；

6. MOSI进入空闲，MISO上开始出现数据脉冲，在该芯片上，数据按照写入的顺序读出，读出N个字节，占用N*8个时钟周期；

7. CS拉高，MOSI/MOSI进入高阻态，CLK引脚回到空闲电平，通信结束。

本文来源于网络，参考原文：《SPI时序，看不懂你打我》

补充知识1-多从机配置模式

SPI多从机配置模式

图. 多从机SPI配置

菊花链模式

图. 多从机SPI菊花链配置

参考原文：《深入剖析 SPI 通信原理及应用》

补充知识2-SPI通信速率

SPI通信速率

SPI的作为master或者slave时可以达到的最大传输速率是多少呢？

I2C协议v2.1规定了100K，400K和3.4M三种速率(bps)。
SPI是一种事实标准，由Motorola开发，并没有一个官方标准。已知的有的器件SPI已达到50Mbps。具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。

因此SPI的最大传输速率主要受到以下几个条件影响：
1.SPI的最大时钟频率
2.CPU处理SPI数据的能力
3.输出端驱动能力（PCB所允许的最大信号传输速率）
 
参考原文：《SPI通信介绍》