SPI及其接口介绍

一、SPI接口简介

SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为：控制寄存器SPCR，状态寄存器SPSR，数据寄存器SPDR。外围设备FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器(如图一所示)和MCU等。

图一、ADC中的SPI

二、SPI接口

一个典型的SPI模块的核心部件是一个8位的移位寄存器和一个8位的数据寄存器SPIDR。通过SPI进行数据传送的设备有主SPI和从SPI之分，即SPI传送在一个主SPI和一个从SPI之间进行。图二给出了两个SPI模块相互连接、进行SPI传送的示意图，图左边是一个主SPI，图右边为一个从SPI。

图二、典型SPI示意图

在AN-877应用笔记中，对spi的接口定义与典型spi接口有所不同，AN-877使用一根线SDIO代替了典型SPI的MISO和MOSI，SS接口用CSB代替。图三和图四分别是双线模式下单器件控制（主从一对一）和双线模式下多器件控制（主从一对多）。

图三：主从一对一控制

图四：主从一对多控制 不管是典型SPI还是三引脚SPI，其基本原理都是一样的，都是主SPI通过SDIO（或MISO与MOSI）将数据传递到从SPI中，通过从SPI控制功能模块。一般来说ADC中的SPI指的是模块中的从SPI极其接口，主SPI可以使用MCU或者单片机实现。主SPI不属于器件的部分，可以不用考虑，操作起来比较简单。

从SPI由指令移位寄存器、指令数据缓存器、寄存器控制逻辑、寄存器构成，如图五所示。

主SPI发送过来的串行数据先依次进入指令移位寄存器，指令移位寄存器再依次将数据传送到指令缓存器。寄存器控制逻辑根据MSB优先或LSB优先控制指令移位寄存器的移位以及控制指令缓存器的输出，将其传送到相应地址的寄存器当中。寄存器包括三种类型：配置寄存器、传送寄存器和编程寄存器。寄存器存入相应数据之后，先根据配置寄存器配置串行接口，编程寄存器再根据寄存器功能表中的定义输出相对应的控制信号，最后根据传送寄存器指令统一输出控制信号。

指令缓存器指令移位寄存器控制逻辑寄存器寄存器„„„„„„功能模块……„„指令

图五： SPI接口的功能模块

三、SPI协议（根据AN-877应用笔记）

SPI接口有主机跟从机之分，主从机可以是一对一，也可以是一对多，但是原理都一样。主从机之间一般由3个引脚组成：串行时钟引脚（SCLK）、串行数据输入/输出引脚（SDIO）、片选引脚（CSB）。

1、引脚

数据输入/输出（SDIO）：该引脚用作数据的输入/输出，用作输入还是用作输出具体取决于所发送的指令（读或写）以及时序帧中的相对位置（指令周期或数据周期）。在读或写的第一个阶段，该引脚用作输入，将信息传递到内部状态机。如果该命令为读命令，状态机把该引脚（SDIO）变为输出，然后该引脚将数据回传给外部控制器。如果该命令为写命令，该引脚始终用作输入。

串行时钟（SCLK）：SCLK由外部控制器提供，时钟频率最高为25MHZ。所有数据的输入输出都是与SCLK同步的。输入数据在SCLK的上升沿有效，输出数据在SCLK的下降沿有效。 片选信号（CSB）：CSB是低电平有效的控制信号，用于选通读写周期。当CSB为低电平时，SPI才会处理SDIO上的数据信息。当CSB为高电平时，SPI忽略SDIO上的数据信息。此外，CSB还有一种特殊作用。CSB可以在字节边界处停止在高电平，为外部的时序处理提供更多的时间。（见图2）

图六：带有停止时间的MSB优先指令和数据

2、格式

当内部状态机处在空闲状态且第一次在SCLK的上升沿检测到CSB为低电平时，确认为帧的开始。传输的第一个阶段为指令阶段，指令由16位组成，之后是数据阶段，数据由一个或多个8位组成，长度不定。

（1）指令周期

指令周期为传输的前16位，如下图所示，指令周期划分为若干位段。

A、读/写

在MSB优先（参见“位序”部分）时，数据流中的第一位是读/写指示位。

若该位为高电平，则表示指令为读取指令。当指令周期（前16位）完成时，内部状态机使用所提供的信息解码要读取的内部地址。随后SDIO由输入变为输出，由字长定义的适当数量的字从器件移位出来（参见“字长”部分）。一旦字长所要求的所有数据均已移位输出，状态机便返回空闲模式，等待下一个指令周期。此时应拉高CSB，表示一次处理结束。

若数据流中的第一位为低电平，则表示指令为写入指令。指令周期完成时，内部状态机使用所提供的信息解码要写入的内部地址。指令之后的所有数据均将移入SDIO引脚并送往目标地址（当需要写入的数据为多个时，地址将自动递增或递减）。一旦传输完所有数据，状态机便返回空闲模式，等待下一个指令周期。此时应拉高CSB，表示一次结束。

无论是读取模式还是写入模式，处理过程都会持续到字长要求时或CSB线路拉高（在非流处理模式的字节边界处（参见“字长”部分）除外）时为止。如果到达存储器的末端（0x00或0xFF），则会发生翻转，下一个处理的地址为0x00（地址递增时）或0xFF（地址递减时）。

B、字长

W1和W0表示要读取或者写入的数据字节数。具体设置和操作如下表：

表1：W1、W0的设置和操作

（（W1：W0）+1）所表示的值是要传输的字节数。如果要传输的字节数小于等于三个（00，01，10），则CSB可以在字节边界停止在高电平，而停止在非字节边界会终止通信周期。如果这两位为11，则为流处理模式。在此模式下，只要拉高CSB就会终止通信周期，任何未完成的字节均会丢失，已完成的字节会得到正确的处理。

C、地址位

其余13位为所发送数据或要读取数据的起始地址位。如果需要处理的数据不止一个字节，则会使用顺序寻址，从指定的地址开始，按照设定的模式递增或递减。

（2）数据周期

指令周期之后是数据周期。要处理的数据量由字长（W1、W0）指定。所有的数据都是8位的，若状态机检测到数据不完整，就会复位到空闲状态，等待下一个帧的开始。

（3）位序

发送和接收数据有两种模式：MSB优先和LSB优先（参见控制寄存器0x00）。上电时默认为MSB优先。可以通过对控制寄存器编程改变位序模式。在MSB优先模式下，位序为从最高位到最低位。在LSB优先模式下，位序为从最低位到最高位。

四、SPI中寄存器的设计

SPI端口是一种由外部输入信号来配置寄存器的机制，因此需要指令移位寄存器和指令缓存器对输入进来的数据进行暂存。此外对器件进行编程，需要定义一个结构化的寄存器空间，此结构可细分为多个地址，数据传输的指令阶段中的地址即指向这些地址。每个地址可寻址一个8位的字节，每一位均有其特定的含义和作用，

具体寄存器定义见AN-877的表14或AD9254的表15。

1、配置寄存器（地址00）

配置寄存器位于地址00，该寄存器用来配置串行接口，包含有2个有效位，位于高半字节当中，低半字节未连接，留做备用。其功能是使芯片软复位并配置在已知状态，而与当前的数据移位方向无关，这将确保在发生故障时器件能够给予积极处理。

2、传送寄存器（地址FF）

传送寄存器即提供软件传输信号。 W1:W0 设置 操作 CSB 停止

00 可以传输1个字节数据 可选

01 可以传输2个字节数据 可选

10 可以传输3个字节数据 可选

11 可以传输4个或更多字节数据，CSB必须在整个操作序列中保持低电平，否则周期即终止。 不允许 一般寄存器都需要采用主从触发器进行缓冲，缓冲可以增强系统的多器件同步能力，并有助于写入对存储器其他部分写入的值可能有依赖关系的配置。根据需要的不同，有些寄存器需要这样的缓冲，例如编程寄存器。有些寄存器则永远不会进行缓冲，例如配置寄存器和传送寄存器，因为出于程序和控制目的，这些寄存器要求及时获得响应。无论缓冲与否，SPI端口都要负责将信息放入寄存器中，不过对于采用缓冲的寄存器，必须启动传输以将数据移出。

3、编程寄存器

本报告中所用到的编程寄存器的地址包括（08、09、10、14、16、18）。当编程寄存器按照表3-3输入相对应的值后，应产生一系列的控制信号，如表3-4所示。这些控制信号产生后被锁存，并在软件传输的命令下达后，才会被一起传输到后面的模块。

4、控制寄存器

控制寄存器由两个寄存器组组成：主寄存器和从寄存器。主寄存器暂存输入数据，当一个传输信号（0xFF寄存器的第0位）为高电平时，主寄存器的内容将全部传到相应的从寄存器，随后内部电路会自动把该位置为0。从寄存器直接用来控制芯片内部其他电路的工作特性。但也有一些寄存器不采用这种主从模式，当需要向这些寄存器写入数据时，数据不经过主寄存器，而直接写入从寄存器，如0x00，0xff，0x04,0x05。其中0x00的bit4和bit3应该始终为1。本报告保留的控制寄存器有（0x00、0x18、0x2A、0x2C、0xFF）一共29个寄存器。（细节请参考AD9254和AN-877），其中控制寄存器0x00的高四位和低四位应该是镜像关系（写入数据时要保证此镜像关系），位7和位0恒为0，位4和位3恒为1。

总之，反向来看，例如要实现软复位功能，从AD9254表15所示的功能来看（如图七所示），地址为0X00的寄存器的第5位为1时便可以实现软复位的功能。所以要实现软复位功能，只需要通过主SPI向地址为0X00的寄存器，输入001110000的数据即可。

图七：寄存器功能设定

五、综述-SPI心得

1、SPI是通过配置寄存器来控制电路

2、SPI的核心是寄存器，通过SPI控制电路的实质就是通过寄存器控制电路

3、电路中的SPI是主从SPI的一部分（一般是从SPI及其接口），主SPI一般可以由单片机或者是MCU构建，其作用是向从SPI写数据。

4、要实现电路的某一个功能，首先定义寄存器，然后通过主SPI向该寄存器写入要达到某功能的数据即可。

六、报告不足与后期计划

1、对SPI进行简单应用的设计。

2、对SPI进行时序分析

3、对已出电路进行模块分析，以及实际电路分析

4、对寄存器、指令如何控制电路功能进行简单了解

参考文献：

1、AN-877应用笔记：/view/914dbfa3f524ccbff121845e.html

2、AD9254使用说明书：/view/18d0378683d049649b6658c0.html

3、SPI及其接口设计：/view/914dbfa3f524ccbff121845e.html

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