SPI Notes

参考资料

SPI的全称是Serial Peripheral Interface，是一种同步、串行、全双工、Master/Slave模式的通讯接口。在SPI上，只能有一个Master，可以有一个或多个Slave。Master负责发起读或者写的frame。如果在SPI上有多个Slave，那么需要通过每个Slave独立的SS（Slave Select）信号线来选中要通讯的Slave。

SPI被称作四线总线，也就是说，它有四条线，分别是：

• SCLK（SCK、CLK）：串行时钟，由Master输出；
• MOSI（SIMO、SDI、DI、DIN、SI、MTST）：Master->Slave的数据，由Master输出；
• MISO（SOMI、SDO、DO、DOUT、SO、MRSR）：Slave->Master的数据，由Slave输出；
• SS（nCS、CS、CSB、CSN、EN、nSS、STE、SYNC）：每个Slave都有独立的SS，用于选择当前需要通信的Slave，低电平有效，由Master输出。

数据通信

在开始通讯之前，Master需要先配置SCLK的时钟，这个时钟的值需要匹配Slave能够支持的时钟。随后，Master需要通过将SS置低来选中Slave。如果Slave需要在片选后一段时间才能访问，那么Master必须按照Slave数据手册的要求等待一段延时。

在每一个时钟周期内，都会发生一次全双工的数据交换，Master通过MOSI发送一个bit到Slave，同时Slave通过MISO发送一个比特到Master，即使只想做单向通讯，也不能省略其中的任何一步。

时钟的极性和相位

Master除了需要设置时钟频率外，还需要设置时钟的极性和相位，这两个选项通常被称为CPOL和CPHA。极性和相位被统一称为SPI的Mode，不同的Mode对应不同的极性、相位组合，具体数值如何需要看厂家的datasheet。

连接方式

如果有多个Slave，那么有两种不同的连接方式：

• 独立Slave连接：所有Slave的数据线都连接到Master的数据线上，Master上为每个Slave都准备一条独立的SS，通过SS来选择Slave；
• 菊花链连接：在这种连接方式下，所有Slave的数据线被串联起来，Slave 0的输出被连接到Slave 1的输入，依次连接，最后Slave N的输出被连接到Master的输入；Master只有一条SS，同时连接到所有的Slave。这种方式的应用之一是JTAG。

有些时候，SPI设备还会单独提供一条独立的中断线到CPU。SPI规范并没有定义中断，因此这种行为完全看设备的datasheet。

优点和缺点

优点

• 支持完整的全双工通信
• 使用Push-pull驱动能够提供良好的信号完整性的高传输速度
• 比I²C或者SMBus更高的吞吐量
• 传输协议可以完全自有定义，没有附加约束
  • 不局限于传输8-bit word
  • 消息的大小、内容和目的可以任意定义
• 硬件接口极为简单
  • 通常，由于电路更简单（包括上拉电阻在内），它的能耗要比I²C或者SMBus更少、
  • 没有仲裁过程以及相关的失败模式
  • Slave使用Master的时钟信号，就不需要内置晶振
  • Slave不需要唯一的地址，作为对比，I²C、GPIB或者SCSI都需要
  • 不需要transceiver
• 只需要4个引脚，比并口要少得多
• 每个设备至多只有一个总线信号（也就是片选信号）；其他的线路都是共享的
• 信号都是单向流动，便于做隔离
• 没有对最大时钟速度做任何限制，理论上可以达到很高的速度

缺点

• 需要的引脚比I²C多，即使是三线变种也不行
• 没有带内寻址（in-band addressing）；只能使用带外（out-of-band）片选信号
• Slave端没有硬件流控（flow control），只有Master能够调节传输速率
• 没有硬件Slave确认（Ack）信号，Master可能在向一个无效器件传输数据却浑然不觉
• 只支持一个Master设备
• 没有定义错误检查协议
• 没有一个正式的标准，也就无从验证一致性
• 相较于RS-232、RS-485或者CAN-bus，只能进行短距离传输
• 有很多变种，使得难以找到通用的开发工具
• SPI不支持热插拔（动态添加节点）
• 没有中断机制，要么使用额外的独立信号实现中断，要么使用类似于USB 1.1和2.0那样的周期轮训机制来模拟中断
• 有些变种（例如Multi I/O SPI和三线SPI）是半双工的