15 張圖詳解四線制 SPI 通訊

1 指針變量的基本操作基本操作

外設接口（SPI）是微控制器和外圍 IC（如傳感器、ADC、DAC、 移位寄存器、SRAM 等）之間使用最廣泛的接口之一。

SPI 是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機或從機的數據在時鐘上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時傳輸數據。SPI 接口可以是 3 線式或 4 線式。本文重點介紹常用的 4 線 SPI 接口。

接 口

4 線 SPI 器件有四個信號：

產生時鐘信號的器件稱爲主機。主機和從機之間傳輸的數據與主機產生的時鐘同步。同 I2C 接口相比，SPI 器件支持更高的時鐘頻率。用戶應查閱產品數據手冊以瞭解 SPI 接口的時鐘頻率規格。

SPI 接口只能有一個主機，但可以有一個或多個從機。圖 1 顯示了主機和從機之間的 SPI 連接。

圖 1. 含主機和從機的 SPI 配置

來自主機的片選信號用於選擇從機。這通常是一個低電平有效信號，拉高時從機與 SPI 總線斷開連接。當使用多個從機時，主機需要爲每個從機提供單獨的片選信號。本文中的片選信號始終是低電平有效信號。

MOSI 和 MISO 是數據線。MOSI 將數據從主機發送到從機，MISO 將數據從從機發送到主機。

數據傳輸

要開始 SPI 通信，主機必須發送時鐘信號，並通過使能 CS 信號選擇從機。片選通常是低電平有效信號。因此，主機必須在該信號上發送邏輯 0 以選擇從機。

SPI 是全雙工接口，主機和從機可以分別通過 MOSI 和 MISO 線路同時發送數據。在 SPI 通信期間，數據的發送 (串行移出到 MOSI/SDO 總線上) 和接收 (採樣或讀入總線(MISO/SDI) 上的數據)同時進行。串行時鐘沿同步數據的移位和採樣。

SPI 接口允許用戶靈活選擇時鐘的上升沿或下降沿來採樣和 / 或移位數據。欲確定使用 SPI 接口傳輸的數據位數，請參閱器件數據手冊。

時鐘極性和時鐘相位

在 SPI 中，主機可以選擇時鐘極性和時鐘相位。在空閒狀態期間，CPOL 位設置時鐘信號的極性。空閒狀態是指傳輸開始時 CS 爲高電平且在向低電平轉變的期間，以及傳輸結束時 CS 爲低電平且在向高電平轉變的期間。CPHA 位選擇時鐘相位。

根據 CPHA 位的狀態，使用時鐘上升沿或下降沿來採樣和 / 或移位數據。主機必須根據從機的要求選擇時鐘極性和時鐘相位。根據 CPOL 和 CPHA 位的選擇，有四種 SPI 模式可用。表 1 顯示了這 4 種 SPI 模式。

表 1. 通過 CPOL 和 CPHA 選擇 SPI 模式

圖 2 至圖 5 顯示了四種 SPI 模式下的通信示例。在這些示例中，數據顯示在 MOSI 和 MISO 線上。傳輸的開始和結束用綠色虛線表示，採樣邊沿用橙色虛線表示，移位邊沿用藍色虛線表示。請注意，這些圖形僅供參考。要成功進行 SPI 通信，用戶須參閱產品數據手冊並確保滿足器件的時序規格。

圖 2. SPI 模式 0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK 空閒狀態 = 低電平，數據在上升沿採樣，並在下降沿移出

圖 3 給出了 SPI 模式 1 的時序圖。在此模式下，時鐘極性爲 0，表示時鐘信號的空閒狀態爲低電平。此模式下的時鐘相位爲 1，表示數據在下降沿採樣 (由橙色虛線顯示)，並且數據在時鐘信號的上升沿移出 (由藍色虛線顯示)。

圖 3. SPI 模式 1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK 空閒狀態 = 低電平，數據在下降沿採樣，並在上升沿移出

圖 4. SPI 模式 2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK 空閒狀態 = 高電平，數據在下降沿採樣，並在上升沿移出

圖 4 給出了 SPI 模式 2 的時序圖。在此模式下，時鐘極性爲 1，表示時鐘信號的空閒狀態爲高電平。此模式下的時鐘相位爲 1，表示數據在下降沿採樣 (由橙色虛線顯示)，並且數據在時鐘信號的上升沿移出 (由藍色虛線顯示)。

圖 5. SPI 模式 3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK 空閒狀態 = 高電平，數據在上升沿採樣，並在下降沿移出

圖 5 給出了 SPI 模式 3 的時序圖。在此模式下，時鐘極性爲 1，表示時鐘信號的空閒狀態爲高電平。此模式下的時鐘相位爲 0，表示數據在上升沿採樣 (由橙色虛線顯示)，並且數據在時鐘信號的下降沿移出 (由藍色虛線顯示)。

多從機配置

多個從機可與單個 SPI 主機一起使用。從機可以採用常規模式連接，或採用菊花鏈模式連接。

常規 SPI 模式

在常規模式下，主機需要爲每個從機提供單獨的片選信號。一旦主機使能 (拉低) 片選信號，MOSI/MISO 線上的時鐘和數據便可用於所選的從機。如果使能多個片選信號，則 MISO 線上的數據會被破壞，因爲主機無法識別哪個從機正在傳輸數據。

從圖 6 可以看出，隨着從機數量的增加，來自主機的片選線的數量也增加。這會快速增加主機需要提供的輸入和輸出數量，並限制可以使用的從機數量。可以使用其他技術來增加常規模式下的從機數量，例如使用多路複用器產生片選信號。

圖 6. 多從機 SPI 配置

菊花鏈模式

在菊花鏈模式下，所有從機的片選信號連接在一起，數據從一個從機傳播到下一個從機。在此配置中，所有從機同時接收同一 SPI 時鐘。來自主機的數據直接送到第一個從機，該從機將數據提供給下一個從機，依此類推。

使用該方法時，由於數據是從一個從機傳播到下一個從機，所以傳輸數據所需的時鐘週期數與菊花鏈中的從機位置成比例。例如在圖 7 所示的 8 位系統中，爲使第 3 個從機能夠獲得數據，需要 24 個時鐘脈衝，而常規 SPI 模式下只需 8 個時鐘脈衝。

圖 7. 多從機 SPI 菊花鏈配置

圖 8 顯示了時鐘週期和通過菊花鏈的數據傳播。並非所有 SPI 器件都支持菊花鏈模式。請參閱產品數據手冊以確認菊花鏈是否可用。

圖 8. 菊花鏈配置：數據傳播

ADI 支持 SPI 的模擬開關與多路轉換器

ADI 公司最新一代支持 SPI 的開關可在不影響精密開關性能的情況下顯著節省空間。本文的這一部分將討論一個案例研究，說明支持 SPI 的開關或多路複用器如何能夠大大簡化系統級設計並減少所需的 GPIO 數量。

ADG1412 是一款四通道、單刀單擲 (SPST) 開關，需要四個 GPIO 連接到每個開關的控制輸入。圖 9 顯示了微控制器和一個 ADG1412 之間的連接。

圖 9. 微控制器 GPIO 用作開關的控制信號

隨着電路板上開關數量的增加，所需 GPIO 的數量也會顯著增加。例如，當設計一個測試儀器系統時，會使用大量開關來增加系統中的通道數。在 4×4 交叉點矩陣配置中，使用四個 ADG1412。此係統需要 16 個 GPIO，限制了標準微控制器中的可用 GPIO。圖 10 顯示了使用微控制器的 16 個 GPIO 連接四個 ADG1412。

圖 10. 在多從機配置中，所需 GPIO 的數量大幅增加

如何減少 GPIO 數量?

一種方法是使用串行轉並行轉換器，如圖 11 所示。該器件輸出的並行信號可連接到開關控制輸入，器件可通過串行接口 SPI 配置。此方法的缺點是外加器件會導致物料清單增加。

圖 11. 使用串行轉並行轉換器的多從機開關

另一種方法是使用 SPI 控制的開關。此方法的優點是可減少所需 GPIO 的數量，並且還能消除外加串行轉並行轉換器的開銷。如圖 12 所示，不需要 16 個微控制器 GPIO，只需要 7 個微控制器 GPIO 就可以向 4 個 ADGS1412 提供 SPI 信號。開關可採用菊花鏈配置，以進一步優化 GPIO 數量。在菊花鏈配置中，無論系統使用多少開關，都只使用主機 (微控制器) 的四個 GPIO。

圖 12. 支持 SPI 的開關節省微控制器 GPIO

圖 13 用於說明目的。ADGS1412 數據手冊建議在 SDO 引腳上使用一個上拉電阻。爲簡單起見，此示例使用了四個開關。隨着系統中開關數量的增加，電路板簡單和節省空間的優點很重要。

圖 13. 菊花鏈配置的 SPI 開關可進一步優化 GPIO

在 6 層電路板上放置 8 個四通道 SPST 開關，採用 4×8 交叉點配置時，ADI 公司支持 SPI 的開關可節省 20% 的總電路板空間。

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