硬件电路设计之SPI电路设计

1 简介

SPI（Serial Peripheral Interface） 是串行外设接口的简称，是微控制器（MCU）与外围设备通信最常见的接口，常见的外围设备包含ADC/DAC、传感器以及存储器等。

2 SPI的特点

• SPI有哪些引脚？

SPI是一种同步全双工通信方式，我们一般采用四线SPI接口，具体包含以下这些信号：

• 时钟信号（SPI Clock,SCLK）
• 片选信号（Chip Select,SC）
• 主机输出，从机输入（Master Output Slave Inpit，MOSI或DO）
• 主机输入，从机输出（Master Inpit Slave Output，MISO或DI）

其中每个PIN脚都有其特定的功能，具体见下：

信号名称	功能描述
时钟信号CLK	主机用于产生时钟信号，主机和从机之间的数据同步。
片选信号CS	用于选择从机，常低电平有效。
数据信号（MISO）	从机将数据发送给主机。
数据信号（MOSI）	主机将数据发送给从机。

• SPI信号与I2C信号有哪些差异？

SPI接口与I2C接口有很明显的不同，具体体现在以下几个方面：

• SPI时钟的频率比I2C时钟频率更高。
• SPI采用四线制，I2C采用二线制。
• SPI只能有一个主机，I2C可以有多个主机（总线仲裁机制）。
• SPI信号数据传输过程？

SPI通信需要的时钟由主机（Master）产生，且主机通过片选信号来选择通信的设备（低电平有效，由主机主动拉低）。SPI能同时进行数据的发送(MOSI)与接收（MISO），且SPI允许用户灵活选择时钟的上升沿/下降沿进行数据的采样和移位。

3 时钟极性和时钟相位

• 什么是时钟极性(CPOL)和时钟相位（CPHA）？

在SPI通信中。时钟极性和时钟相位是可以由用户进行设定的。

时钟极性（CPOL） :决定了时钟信号在空闲时的状态（高电平或者低电平）。

时钟相位（CPHA） :决定了是在上升沿或者下降沿进行采样和移位。

SPI	CPOL	COHA	时钟极性（空闲）	时间（采样/移位）
0	0	0	低电平	上升沿采样、下降沿移出
1	0	1	低电平	下升沿采样、上降沿移出
2	1	1	高电平	下升沿采样、上降沿移出
3	1	0	高电平	上升沿采样、下降沿移出

• 时钟极性(CPOL)和时钟相位（CPHA）的图解

说明：

• 绿色：表示数据传输的开始和结束。
• 橙色：表示数据的采样。
• 蓝色：表示数据的移位。
• SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空闲状态 = 低电平，数据在上升沿采样，并在下降沿移出。

• SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空闲状态 = 低电平，数据在下降沿采样，并在上升沿移出。

• SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空闲状态 = 高电平，数据在下降沿采样，并在上升沿移出。

• SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空闲状态 = 高电平，数据在上升沿采样，并在下降沿移出。

4 SPI的级联

多个从机可与单个SPI主机一起使用。从机可以采用常规模式连接，或采用菊花链模式连接。

• 常规模式

在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能（拉低）片选信号，MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用 于所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。从下图可以看出，随着从机数量的增加，来自主机的片选线的数量 也增加。这会快速增加主机需要提供的输入和输出数量，并限制可以使用的从机数量。可以使用其他技术来增加常规模式下的从机数量，例如使用多路复用器产生片选信号。

• 菊花链模式

在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。

使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。例如在下图所示的8位系统中，为使第3个从机能够获得数据，需要24个时钟脉冲，而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。图8显示了时钟周期和通过菊花链的数据传播。并非所有SPI器件都支持菊花链模 式。请参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。