了解这种基本的四线全双工总线的结构与运行特点

作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI) 高级应用工程师

串行外设接口 (SPI) 总线是一种运行于全双工模式下的同步串行数据链路。用于在单个主节点和一个或多个从节点之间交换数据。SPI 总线实施简单，仅使用四条数据信号线和控制信号线（请参见图 1）。



图 1 基本的 SPI 总线

尽管表 1 中的引脚名称取自 Motorola 公司的 SPI 标准，但特殊集成电路的 SPI 端口名称通常与图 1 中所标示的名称有所不同。


表 1 SPI 引脚名称分配
SPI 数据速率通常介于 1 到 70 MHz 之间，字节长度范围从 8 位和 12 位到这些数值的倍数位。

数据传输通常会包含一次数据交换。当主节点向从节点发送数据时，从节点也会向主节点发送数据。为此，主节点的内部移位寄存器和从节点被设置成环形（请参见图 2）。

 

图 2 两个移位寄存器形成一个内部芯片环形缓冲器

在数据交换之前，主节点和从节点使其内部移位寄存器加载存储器数据。产生时钟信号时，主节点会通过 MOSI 线同步输出其移位寄存器。同时，从节点在 SIMO 处从主节点读取第一位，并将其存储到存储器中，然后通过 SOMI 输出 MSB。主节点会在 MISO 处读取从节点的第一位，并将其存储到存储器中以待稍后处理。整个过程将一直持续，直至交换完所有数据位，然后主节点使时钟空闲并通过 /SS 禁用从节点。

除设置时钟频率之外，主节点还会配置相对于数据的时钟极性和时钟相位。这两个选项分别称作 CPOL 和 CPHA，能够允许时钟信号实现 180 度相移且数据延迟半个时钟周期。图 3 显示了相应的时序图。

图 3 时钟极性和相位的时序图

CPOL = 0 时，时钟在逻辑 0 处空闲：

*如果 CPHA = 0，数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。

*如果 CPHA = 1，数据会在 SCK 的下降沿上读取，在上升沿上变化。

CPOL = 1时，时钟在逻辑高电平处空闲：

*如果 CPHA = 0，数据会在 SCK的下降沿上读取，在上升沿上变化。

*如果 CPHA = 1，数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。

在 SPI 中，主节点可以与单个或多个从节点进行通信。在使用单个从节点的情况下，从选择信号可以关联到从设备的本地接地电位以允许永久接入。对于使用多个从节点的应用，可能有两种结构：独立和菊花链式从节点（请参见图 4）。

图 4 主节点与独立从节点（左）以及菊花链式从节点（右）进行通信

从节点独立寻址时，主节点必须提供多个从选择信号。该结构一般用在数据采集系统中，其中的多个模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 都必须单独接入。

菊花链式从节点需要主节点提供唯一的从选择信号，因此该结构要求同时启用所有从节点，以确保菊花链内通过所有移位寄存器的数据流不会中断。典型的应用为工业级 I/O 模块中的级联多通道输入串行器和输出驱动器。