有哪些內(nèi)容？

• SPI協(xié)議簡(jiǎn)介

• 4線還是3線？

• 4種工作模式

• 多種傳輸速率

• SPI協(xié)議的時(shí)序

• SPI協(xié)議的升級(jí)版

• FPGA實(shí)現(xiàn)SPI協(xié)議

• SPI和IIC的對(duì)比

• 總結(jié)

SPI協(xié)議簡(jiǎn)介

板卡內(nèi)不同芯片間通訊最常用的三種串行協(xié)議：UART、I2C、SPI，之前寫(xiě)過(guò)及其，今天我們來(lái)介紹SPI協(xié)議，SPI是Serial Perripheral Interface的簡(jiǎn)稱，是由Motorola公司推出的一種高速、全雙工的總線協(xié)議。

與IIC類似，SPI也是采用主從方式工作，主機(jī)通常為FPGA、MCU或DSP等可編程控制器，從機(jī)通常為EPROM、Flash，AD/DA，音視頻處理芯片等設(shè)備。一般由SCLK、CS、MOSI，MISO四根線組成，有的地方可能是：SCK、SS、SDI、SDO等名稱，都是一樣的含義，當(dāng)有多個(gè)從機(jī)存在時(shí)，通過(guò)CS來(lái)選擇要控制的從機(jī)設(shè)備。和標(biāo)準(zhǔn)SPI類似的協(xié)議，還有TI的SSP協(xié)議，區(qū)別主要在片選信號(hào)的時(shí)序上。

4線還是3線？

當(dāng)我們談到SPI時(shí)，默認(rèn)情況下都是指標(biāo)準(zhǔn)的4線制Motorola SPI協(xié)議，即SCLK，MOSI，MISO和CS共4根數(shù)據(jù)線，標(biāo)準(zhǔn)4線制的好處是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全雙工傳輸。當(dāng)只有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，只需要一個(gè)CS，多個(gè)從機(jī)需要多個(gè)CS，各數(shù)據(jù)線的介紹：

• SCLK，時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘頻率即SPI速率，和SPI模式有關(guān)

• MOSI，主機(jī)輸出，從機(jī)輸入

• MISO，主機(jī)輸入，從機(jī)輸出

• CS，從機(jī)設(shè)備選擇，低電平有效

3線制SPI，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，主要有以下2種類型：

• 只有3根線：SCLK，CS和DI或DO，適用于單工通訊，主機(jī)只發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

• 只有3根線：SCLK，SDIO和CS，這里的SDIO作為雙向端口，適用于半雙工通訊，比如ADI的多款ADC芯片都支持雙向傳輸。在使用FPGA操作雙向端口時(shí)，作為輸入時(shí)要設(shè)置為高阻態(tài)z。

還有標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議的升級(jí)版，Dual SPI、Quad SPI和QPI等，這些協(xié)議不在本小節(jié)3線/4線制討論的范圍內(nèi)，文章后面會(huì)提到。

4種工作模式

既然是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雙方就要明確從機(jī)在什么時(shí)刻去采樣主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，主機(jī)在什么時(shí)刻去讀取從機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。對(duì)于STM32等MCU自帶的硬件SPI外設(shè)來(lái)說(shuō)，可能沒(méi)有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是對(duì)于使用使用GPIO模擬或者FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI的時(shí)序，這一點(diǎn)是非常重要的，這就涉及到SPI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的工作模式了，通過(guò)CPOL（Clock Polarity）時(shí)鐘極性和CPHA（Clock Phase）時(shí)鐘相位的不同組合，可以分為4種模式。

一般從機(jī)器件的工作模式是固定的，主機(jī)需要采用一樣的工作模式，雙方才能正常“交流”。

CPOL=0表示，SCK在空閑狀態(tài)時(shí)為0 CPOL=1表示，SCK在空閑狀態(tài)時(shí)為1 CPHA=0表示，在SCK第一個(gè)邊沿時(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)有效
CPHA=1表示，在SCK第二個(gè)邊沿時(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)有效

這四種模式中，應(yīng)用最廣泛的是模式0和3，大多數(shù)SPI器件都同時(shí)支持這兩種工作模式，其實(shí)這些都不重要，具體采用什么模式，看你的器件手冊(cè)就知道了。

以我最近工作中使用到的一款Cypress的鐵電存儲(chǔ)器FM25V05為例，在其官方DataSheet上介紹同時(shí)支持SPI Mode 0和Mode 3，

根據(jù)后面的時(shí)序圖，可以得知SPI mode 0的讀寫(xiě)時(shí)序，圖中可以看出SCK空閑狀態(tài)為低電平，主機(jī)數(shù)據(jù)在每個(gè)上升沿被從機(jī)采樣，數(shù)據(jù)輸出同理。

對(duì)于SPI mode0，SCK空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)數(shù)據(jù)在每個(gè)上升沿被從機(jī)采樣，數(shù)據(jù)輸出同理。

模式1和模式2同理，模式1即CPOL=0，CPHA=1，SCK空閑為0，在SCK第二個(gè)邊沿時(shí)數(shù)據(jù)有效，即SCK下降沿有效。

模式2即CPOL=1，CPHA=0，SCK空閑為1，在SCK第一個(gè)邊沿時(shí)數(shù)據(jù)有效，即SCK下降沿有效。

在一些自帶SPI硬件外設(shè)的MCU上，設(shè)置主機(jī)的SPI模式非常簡(jiǎn)單，只需要配置幾個(gè)寄存器的值即可，而且是寫(xiě)了SCK高電平還是低電平，和第一個(gè)還是第二個(gè)邊沿，不用去記憶等于0還是等于1。以STM32F103硬件SPI配置為例：

SPI_InitTypeDef??SPI_InitStruct;

SPI_InitStruct.SPI_Mode?=SPI_Mode_Master;???????//主 .....
SPI_InitStruct.SPI_CPOL?=SPI_CPOL_High;?//SCK空閑時(shí)為高電平 SPI_InitStruct.SPI_CPHA?=SPI_CPHA_1Edge;//SCK第一個(gè)邊沿有效 .....
SPI_Init(SPI2,&SPI_InitStruct);

而在FPGA中實(shí)現(xiàn)，需要嚴(yán)格根據(jù)時(shí)序來(lái)控制SCK和數(shù)據(jù)的輸入輸出。

多種傳輸速率

SCK的速率就是SPI的傳輸速率，SPI協(xié)議沒(méi)有一個(gè)固定的速率，不像IIC標(biāo)準(zhǔn)模式100K，快速模式400K，高速模式3.4M，SPI的傳輸速率取決于器件本身支持多高的速率，器件手冊(cè)里都有描述，以FM25V05為例：

不同電源電壓情況下的最大SCK時(shí)鐘頻率：

SPI協(xié)議的基本時(shí)序

CS為低電平時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的從機(jī)設(shè)備被使能，在每個(gè)SCLK周期可以傳輸1Bit數(shù)據(jù)，采樣時(shí)刻取決于器件支持的SPI mode，根據(jù)不同SPI器件的控制方法，在進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作前，一般需要先寫(xiě)入控制字，然后是寄存器地址和數(shù)據(jù)。下圖是FM25V05鐵電存儲(chǔ)器采用SPI模式0的寫(xiě)時(shí)序：

讀時(shí)序：

如果要使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI時(shí)序，在CS下降沿和SCLK第一個(gè)邊沿，或CS上升沿和SCLK最后一個(gè)邊沿之間要留有一定的延遲時(shí)間，一般是0.5個(gè)SCLK周期。

一些SPI從機(jī)設(shè)備支持菊花鏈連接模式，即節(jié)省GPIO，又不會(huì)占據(jù)太多布線面積，但并不是所有的SPI器件都支持菊花鏈模式。

控制時(shí)序：

SPI協(xié)議的升級(jí)版

傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的SPI協(xié)議，一個(gè)SCLK周期只能傳輸1Bit數(shù)據(jù)，能不能一個(gè)SCLK傳輸多個(gè)Bit數(shù)據(jù)呢？答案是可以的。Motorola公司在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)4線SPI協(xié)議上，又開(kāi)發(fā)出了多種SPI協(xié)議的升級(jí)版，通過(guò)增加數(shù)據(jù)線位數(shù)的方式，來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩壳昂芏郌lash廠家都已經(jīng)支持多種SPI協(xié)議。

以比較常用的一款SPI Flash ROM W25Q128FW為例，在其器件手冊(cè)上寫(xiě)著除了標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI模式，還支持Dual SPI，Quad SPI，QPI等，在這幾種模式下，IO0/1/2/3這些IO作為雙向端口，大大增加了數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的速率。

QSPI協(xié)議讀寫(xiě)時(shí)序：

一些支持QSPI協(xié)議的Flash芯片型號(hào)：

FPGA實(shí)測(cè)SPI波形

FPGA實(shí)現(xiàn)、SPI、IIC等串行時(shí)序，最常用的實(shí)現(xiàn)方式就是狀態(tài)機(jī)大法，將各個(gè)步驟分解為各個(gè)狀態(tài)，然后根據(jù)不同的狀態(tài)去控制輸出或讀取輸入，細(xì)節(jié)方面需要考慮數(shù)據(jù)的對(duì)齊、建立和保持時(shí)間、一些異常情況時(shí)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，不能進(jìn)入死循環(huán)，或卡死在某一個(gè)狀態(tài)。

下圖的波形是使用Xilinx FPGA對(duì)一款鐵電存儲(chǔ)器FM25V05的驅(qū)動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)4線SPI協(xié)議，和IIC接口的ERPOM操作方式類似：先寫(xiě)控制字，再寫(xiě)地址，再寫(xiě)數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)，SCK時(shí)鐘頻率40MHz，使用ChipScope抓取到的實(shí)際讀寫(xiě)波形，在SCK低電平中間數(shù)據(jù)改變，在SCK上升沿左右數(shù)據(jù)要保持穩(wěn)定。

SPI寫(xiě)時(shí)序，需要注意的是先寫(xiě)使能命令，然后重新產(chǎn)生CS信號(hào)，這一塊卡了好久，在官方示例的C代碼中才發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在，還是對(duì)手冊(cè)上的時(shí)序理解不到位。

FM25V05寫(xiě)時(shí)序

SPI讀時(shí)序，先寫(xiě)控制字，再寫(xiě)16位地址，然后讀8位數(shù)據(jù)。

FM25V05讀時(shí)序

SPI和IIC的對(duì)比

• SPI是全雙工，而IIC是半雙工。

• IIC支持多主機(jī)多從機(jī)模式，而SPI只能有一個(gè)主機(jī)。

• 從GPIO占用上來(lái)看，IIC占用更少的GPIO，更節(jié)省資源。

• SPI的數(shù)據(jù)位寬更靈活，可以根據(jù)需要選擇多位數(shù)據(jù)寬度。

• SPI協(xié)議沒(méi)有響應(yīng)機(jī)制，主機(jī)無(wú)法得知從機(jī)是否接收到所發(fā)的數(shù)據(jù)，如果不采取一些方法的話可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟幀。

• 正是因?yàn)闆](méi)有復(fù)雜的響應(yīng)機(jī)制，SPI協(xié)議可以做到非常高的速率(上百兆)，每一個(gè)SCK都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)引入CRC校驗(yàn)等校驗(yàn)方法，可以即高速傳輸數(shù)據(jù)，又能保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

• IIC通過(guò)器件地址來(lái)選擇從機(jī)，從機(jī)數(shù)量的增加不會(huì)導(dǎo)致GPIO的增加，而SPI通過(guò)CS選擇從機(jī)，每增加一個(gè)從機(jī)就要多占用一個(gè)GPIO，當(dāng)然也可以通過(guò)加入譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)多從機(jī)控制。

• SPI協(xié)議在SCLK邊沿進(jìn)行采樣，IIC在SCL高電平器件進(jìn)行采樣。

• 兩者大多都應(yīng)用于板內(nèi)器件短距離通訊。

總結(jié)

使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI時(shí)序，最大的好處就是靈活，時(shí)序可以根據(jù)需要精確的定制，可以實(shí)現(xiàn)非常高的速率，特別是同時(shí)驅(qū)動(dòng)多片芯片上有很大的優(yōu)勢(shì)，在一些高速AD采集的場(chǎng)合必須使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，難點(diǎn)就是做起來(lái)比較麻煩，需要一點(diǎn)點(diǎn)的調(diào)試，仿真，雖然FPGA也有一些現(xiàn)成的IP可以使用，但還是不夠靈活。不像STM32等MCU那樣有現(xiàn)成的庫(kù)函數(shù)和寄存器簡(jiǎn)單幾行代碼配置一下，就可以實(shí)現(xiàn)主從模式、SPI模式、數(shù)據(jù)位寬、多種速率、單線雙線、半雙工全雙工、DMA等等。總之，F(xiàn)PGA和MCU各有優(yōu)點(diǎn)，也各有不足，根據(jù)需求來(lái)選擇吧！無(wú)論采用什么控制器實(shí)現(xiàn)，只要根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)嚴(yán)格控制時(shí)序，就沒(méi)有什么協(xié)議是不能搞定的！