协议解析—SPI篇

以下内容是我对于学习笔记的整理和补充仅代表我个人还比较浅薄的认知观点如有错误还请指出感谢各位。基础介绍MOSI –主机输出 / 从机输入数据线共用。MISO –主机输入 / 从机输出数据线共用。SCK –时钟线主设备输出时钟信号至从设备常态低电平共用。CS –从设备选择线。也叫 SS、CSB、CSN、EN 等低电平有效单独发送数据的过程低位先行还是高位先行都是可以自由决定的不受限制。标准速率可达10-50MHz高速SPI可以达到100M以上SPI 的工作时序模式由 CPOL时钟极性决定数据有效的高低和 CPHA时钟相位边缘检测组合决定。这两者都是针对于SCK而设定极性决定了总线在空闲情况下的电平相位则是决定了在第一还是第二个跳变沿采样也就是我们熟悉的上下沿。如表所示时钟的相位和极性的不同可以组合出四种情况。基本情况下我们都是用的0模式但是有一些设备会出现强制要求某一模式或者默认不是0模式的情况我们就需要注意主从模式的一致不然所有的数据都会混乱。模式CPOLCPHA空闲电平数据采样边沿说明模式0 (MODE 0)00低电平上升沿最常用。空闲低上升沿采样。模式1 (MODE 1)01低电平下降沿空闲低下降沿采样。模式2 (MODE 2)10高电平下降沿空闲高下降沿采样。模式3 (MODE 3)11高电平上升沿空闲高上升沿采样。协议解析对于有单独的CS片选信号引脚的SPI协议而言起始与终止信号就显得朴实无华主机只需要拉低对应的从机CS引脚就代表选中高电平就是结束通信主机始终握有通信的掌握权从机无法干预。图中是两个SPI的移位寄存器(Shift Register)两者数据传输的过程就像是一个回环寄存器中数据左移一位最高位被移动到MOSI上寄存器空出最低位同时从机寄存器中数据也是左移一位最高位放置于MISO发送也空出来最低位一轮交换两者的数据都左移了一位同时最低位被对方最高位给补上重复以上交换8次两者的寄存器就完整交换了对方的数据过来寄存器的数据再被读取保存写入新的数据就可以开始下一轮的数据交换。需要注意移位寄存器并非由我们写入而是由发送缓冲寄存器(Tx Buffer)被硬件自动移入后者才是我们去写入的对象同理移位寄存器的读取也不是由我们完成而是被硬件自动送入接收缓冲寄存器(Rx Buffer)具体的发送内容与其他的协议大同小异都是先发送操作指令对于不同的外设其厂家提供的指令集不尽相同在此不做赘述只需要知道应该怎么发送即可发送内容需要看具体的外设操作手册。最常见的模式0由于空闲时是低电平又在上升沿采样就需要我们在CS图中是NSS拉低到第一个时钟周期来之前提前把我们的数据写入发送缓冲器。对于模式2也是如此两者都是在SCL第一个跳变的边缘就需要准备好发送缓冲寄存器的内容准备时间上相对于其余两者其余两者都是第二个跳变沿时间上更为充足而言要更短如果是硬件SPI则没有太大问题但是对于软件SPI而言就需要注意延时了。在高电平期间MOSI读取移位寄存器中的内容并发送MISO则是读取和接收在一个字节的发送过程中移位寄存器做的一直都是左移操作如果你是低位先行则是右移不需要准备新的数据只有在发送完以后寄存器的数据被读取读取由硬件电路自动读取到接收缓冲器而不是由CPU主动读取所以并不是CPU不去读取数据就不会被新的数据覆盖下文有解释才会被内部总线并行地传入新的数据。数据接收之后主要考虑的是接收缓冲器数据保存问题硬件设计上移位寄存器全部移位完成后就会被接收缓冲器自动搬运就会导致如果你在没来得及拿走缓冲器中的数据新的数据就会自动转运旧数据就会被覆盖无法找回。由于SPI的速率高多数情况下我们都会配合DMA来进行数据的转运不需要CPU的频繁数据读取。DMA在此只做简单的了解DMA涉及的范围会比较广。Direct Memory Access见名知义直接内存访问。MCU工作过程中除了自身的大量数据需要处理还会有很多的外设挂载他们也会产生数据需要进行处理每次我们去操作外设搬运数据的时候都是我们CPU在操作如果挂载的外设过多或者数据量大CPU在处理、转运外设数据上就会消耗量的时间反而我们系统原本的工作没人去做了这肯定是不行的。DMA由此而生很多数据其实CPU是不需要直接去进行操作的我们只是读取即可那么DMA就可以帮助我们把总线上的数据自动搬运到我们指定的地方全程硬件自动完成不需要CPU操作极大缓解了CPU的负担。这样哪怕是大量数据的情况比如SPI的寄存器数据不及时取走就会丢失DMA就可以帮我们存到指定的地址CPU要用的时候就再去操作不需要频繁响应这些外设的请求了。杂项标准SPI不只是可以全双工运行还可以分为两种情况两根数据线MOSIMISO半双工模式。一根数据线单工模式。也就是说没法让两根线同时收或者发这种情况是DSPI的场景需要注意不是所有的SPI都可以变成DSPIDSPI需要主机和从机都支持才可以切换。DSPI就是特化写或者读的能力比如对于存储芯片而言我只要他的读那就可以使用DSPI速率是的SPI两倍代价就是失去了写的能力。更高的带宽只能是考虑加线DSPIDual SPI Flash就是让两根线变为输出从而变成半双工但是数据量倍增而QSPI则是多了两个数据线速度再次倍增。小结对比于IICSPI的优点显而易见十多倍的速度差距独立片选信号不需要担心多从机竞争但是代价也是十分明显的至少两倍的引脚消耗要考虑引脚的使用情况。同时SPI对于IIC的协议来说有了更多的模式选择时钟相位的不同组合任意的高低位先行全双工设计不需要收发都挤占一根信号线也不需要IIC那么复杂的协议流程这也是SPI的速度要远高于IIC的原因。因此在实际的使用中大多数SPI的使用情况都是屏幕或者存储一类大数据量需求的IIC主要就是一些传感器之类的小数据需求情况。