苏州网站建设布局,网站建设总结与,宁波其它区高端关键词优化,湖州营销网站建设文章目录 SPI 简介基本原理工作模式特点 SPI寻址方式1. 片选#xff08;Chip Select, CS#xff09;2. 多从设备通信3. 菊花链#xff08;Daisy-Chain#xff09;模式4. 地址寄存器#xff08;应用层#xff09; SPI通信过程时钟信号生成#xff08;SCLK#xff09;数据… 文章目录 SPI 简介基本原理工作模式特点 SPI寻址方式1. 片选Chip Select, CS2. 多从设备通信3. 菊花链Daisy-Chain模式4. 地址寄存器应用层 SPI通信过程时钟信号生成SCLK数据传输MOSI/MISO数据采样与移位通信时序图 极性和相位1. 时钟极性CPOL2. 时钟相位CPHASPI 的 4 种工作模式如何选择 CPOL 和 CPHA SPI 简介
SPISerial Peripheral Interface是一种同步串行通信协议用于短距离的设备之间数据传输。它常用于微控制器与外部设备如传感器、闪存、显示器等的通信。SPI 具有以下主要特点
基本原理
SPI 是主从模式的通信协议通常包括一个主设备Master和一个或多个从设备Slave。主设备控制通信的时序从设备根据主设备的指令进行响应。
SPI 使用以下四条主要信号线
MOSIMaster Out Slave In 主设备发送数据到从设备的线路。MISOMaster In Slave Out 从设备发送数据到主设备的线路。SCLKSerial Clock 主设备生成的时钟信号用于同步数据传输。CSChip Select 用于选择特定从设备进行通信通常为低电平激活。
工作模式
SPI 通过时钟信号的不同相位和极性组合形成 4 种工作模式Mode 0、1、2、3。这 4 种模式根据 SCLK 的极性CPOL和相位CPHA决定数据的采样和发送时刻。
特点
全双工同步通信 SPI 同时进行数据发送和接收主设备和从设备可以同时发送和接收数据。速度快 由于是硬件控制的同步通信SPI 的传输速度较高通常比 I²C 等其他协议更快。多从设备 一个主设备可以控制多个从设备通过单独的CS 线选择不同的从设备。简单协议 SPI 协议没有复杂的仲裁或地址机制相对容易实现。 SPI寻址方式
在 SPI 通信中寻址方式主要是通过片选Chip Select, CS线来实现的。与 I²C 等协议不同SPI 没有内置的寻址机制具体是通过以下方式选择和管理从设备的
1. 片选Chip Select, CS
SPI 使用片选线也称为从选择线SS/CS来选择与哪个从设备进行通信主设备需要向对应从设备的CS线上发送使能信号。每个从设备通常都有自己独立的 CS 引脚。当主设备需要与某个从设备通信时它会将对应从设备的 CS 线拉低即置为低电平active low高电平也可以根据从机而定表示选择该从设备进行通信。其他未被选中的从设备保持 CS 线高电平不参与通信。
2. 多从设备通信
如果在一个 SPI 总线上有多个从设备主设备需要为每个从设备提供单独的 CS 线。典型的 SPI 多从设备通信过程如下
主设备通过拉低某个从设备的 CS 线来选择该从设备。其他未选中的从设备的 CS 线保持高电平因此它们不会响应 SPI 通信信号。选中设备通过 MOSI 线接收数据通过 MISO 线向主设备发送数据。当通信结束后主设备将该从设备的 CS 线拉高停止与该设备的通信。
例如若有 3 个从设备主设备可能需要 3 根 CS 线分别控制每个从设备标记为 CS1、CS2、CS3。当主设备要与从设备 2 通信时会拉低 CS2进行通信而 CS1 和 CS3 保持高电平。
3. 菊花链Daisy-Chain模式
在某些特殊场景下多个从设备可以通过 菊花链 连接在一个 SPI 总线上。菊花链模式下从设备之间依次连接数据从一个从设备流向下一个从设备。这种模式可以通过减少主设备上的 CS 线数量来节省引脚但通信方式较为复杂。
在菊花链模式下主设备通过串行时钟SCLK发送数据数据依次经过每个从设备。主设备发送的数据经过所有从设备后最后一个从设备将数据回传给主设备。此模式通常用于某些特定类型的设备如 LED 驱动器或移位寄存器。
4. 地址寄存器应用层
虽然 SPI 协议本身没有设备地址机制但可以通过应用层协议来实现类似的寻址功能。主设备发送的第一字节或前几位可以定义为设备的虚拟地址只有匹配该地址的从设备会响应。在这种方式下SPI 寻址逻辑需要通过硬件或软件协议来设计和实现。 SPI通信过程
时钟信号生成SCLK
主设备生成的时钟信号 (SCLK) 用于同步数据的传输。数据在时钟的上升沿或下降沿进行采样或发送取决于设置的 CPOL 和 CPHA 模式。
数据传输MOSI/MISO
数据发送MOSI 主设备通过 MOSIMaster Out Slave In线向从设备发送数据。主设备和从设备在时钟的相应沿根据协议设置同步数据发送。数据接收MISO 同时从设备可以通过 MISOMaster In Slave Out线向主设备发送数据。由于 SPI 是全双工通信数据发送和接收可以在同一时刻进行。
通常数据位数为 8 位主设备每发送一个字节从设备无需应答主设备发完一个数据之后立即再发送下一个字节。数据的传输顺序一般是从最高位MSB到最低位LSB但也可以通过配置改变。
数据采样与移位
在数据传输过程中数据位在时钟的某个边沿被送出在另一边沿被接收。具体的数据采样时刻取决于时钟的极性CPOL和相位CPHA。主设备和从设备内部有 移位寄存器每次时钟脉冲会导致移位寄存器中的数据往左移一位直至完成整个字节的发送和接收。
通信时序图 极性和相位
在 SPI 通信中时钟极性CPOL和相位CPHA是用于定义时钟信号的特性和数据采样时间的两个重要参数。这两个参数决定了数据在何时发送和接收。为了确保主设备和从设备能够正确通信双方的时钟极性和相位必须一致。
1. 时钟极性CPOL
CPOL 定义了时钟信号在空闲状态下的电平。
CPOL 0空闲时钟线为 低电平。CPOL 1空闲时钟线为 高电平。
2. 时钟相位CPHA
CPHA 定义了数据采样的时刻即在时钟的哪个边沿对数据进行采样。
CPHA 0数据在第一个时钟边沿时钟脉冲的第一个跳变沿如上升沿或下降沿进行采样或发送。CPHA 1数据在第二个时钟边沿时钟脉冲的第二个跳变沿如上升沿或下降沿进行采样或发送。
SPI 的 4 种工作模式
由 CPOL 和 CPHA 的组合SPI 有 4 种工作模式。这些模式规定了时钟信号的特性和数据传输的时序。主设备和从设备必须工作在相同的模式下才能保证通信的正确性。
模式 0CPOL 0CPHA 0
时钟空闲状态为低电平。数据在上升沿第一个边沿采样在下降沿发送。时钟处于低电平数据在第一个上升沿采样。
模式 1CPOL 0CPHA 1
时钟空闲状态为低电平。数据在下降沿第二个边沿采样在上升沿发送。时钟处于低电平数据在第一个上升沿发送第二个下降沿采样。
模式 2CPOL 1CPHA 0
时钟空闲状态为高电平。数据在下降沿第一个边沿采样在上升沿发送。时钟处于高电平数据在第一个下降沿采样。
模式 3CPOL 1CPHA 1
时钟空闲状态为高电平。数据在上升沿第二个边沿采样在下降沿发送。时钟处于高电平数据在第一个下降沿发送第二个上升沿采样。
如何选择 CPOL 和 CPHA
CPOL 决定了空闲时钟的电平状态高电平或低电平。CPHA 决定了数据在第一个边沿上升沿或下降沿还是第二个边沿进行采样。不同的设备可能要求不同的工作模式选择 CPOL 和 CPHA 时需参照从设备的规格文档。主设备和从设备的 SPI 模式必须匹配才能成功通信。
