四线SPI通信基本知识以及菊花链模式

1、四线 SPI 通信基本知识，以及菊花链模式今天分享的主要内容是来自于ADI公司的SPI知识学习，SPI算 是嵌入式开发中最常用的通信方式之一，而大部分嵌入式软件工程师 常常更关注于上层软件的开发，容易忘却底层的一些信号格式等，而 一旦通信发生点啥问题，往往那是一个措手不及，所以文本作为SPI 接口的重温与巩固是再合适不过了。串行外设接口 (SPI)是微控制器和外围IC(如传感器、ADC、DAC、 移位寄存器、SRAM等)之间使用最广泛的接口之一。本文先简要说 明SPI接口，然后介绍ADI公司支持SPI的模拟开关与多路转换器, 以及它们如何帮助减少系统电路板设计中的数字GPIO数量。SPI 是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI接 口可以是3线式或4线式。本文重点介绍常用的4线SPI接口。图 1.含主机和从机的 SPI 配置4线SPI器件有四个信号：时钟(SPICLK，SCLK)片选(CS)主机输出、从机输入(MOSI) 主机输入、从机输出(MISO)产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主 机产生

2、的时钟同步。同I2C接口相比,PI器件支持更高的时钟频率。 用户应查阅产品数据手册以了解SPI接口的时钟频率规格。SPI 接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。图1 显示 了主机和从机之间的 SPI 连接。来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信 号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要 为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有 效信号。MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机，MISO 将数据从从机发送到主机。数据传输要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能CS信号 选择从机。片选通常是低电平有效信号。因此，主机必须在该信号上 发送逻辑0以选择从机。SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通 过MOSI和MISO线路同时发送数据。在SPI通信期间，数据的发送(串 行移出到MOSI/SDO总线上)和接收(采样或读入总线(MISO/SDI)上 的数据)同时进行。串行时钟沿同步数据的移位和采样SPI接口允 许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。欲确 定使用 SPI 接口传输的数据位数

3、，请参阅器件数据手册。时钟极性和时钟相位在 SPI 中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。在空闲状态期间，CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平 且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电 平转变的期间。CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位的状态，使用时 钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求 选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI 模式可用。表1显示了这4种SPI模式。表 1.通过 CPOL 和 CPHA 选择 SPI 模式SPI模式严jcPHA空闲狀态下的 时钟摄性用于采样和或林位数掲的盯钟相位000逻辑低电平数据在上卜沿采样.在F降沿移出101逻辑低电乎数据在下降沿采样.在上升沿移出211遷辑低电平數据在下降沿采样*在匕升沿移出310逻辑低电平雜据在上升沼采样.在下降沿移出7回包腋社心图2至图5显示了四种 SPI 模式下的通信示例。在这些示例中， 数据显示在MOSI和MISO线上。传输的开始和结束用绿色虚线表示， 采样边沿用橙色虚线表示，移位边沿用蓝色虚线表示。请注意，这些 图形仅供参

4、考。要成功进行 SPI 通信，用户须参阅产品数据手册并确 保满足器件的时序规格。0豔-牆1 -图 2.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。MISO HI. J 畀 L/T,!I A !0 ； /入匕二gm色逐|图 3.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。图 4.SPI 模式 2，CPOL=1，CPHA=1：CLK 空闲状态=高电平，数据在下降沿采样，并在上升沿移出。图 5.SPI 模式 3，CPOL=1，CPHA=0：CLK 空闲状态=高电平，数据 在上升沿采样，并在下降沿移出。图 3 给出了 SPI 模式 1 的时序图。在此模式下，时钟极性为 0， 表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为1，表示 数据在下降沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升 沿移出（由蓝色虚线显示）。图 4 给出了 SPI 模式 2 的时序图。在此模式下，时钟极性为 1， 表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为1，表示 数据在下降沿采样

5、（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升 沿移出（由蓝色虚线显示）。图 5 给出了 SPI 模式 3 的时序图。在此模式下，时钟极性为 1， 表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为0，表示 数据在上升沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的下降 沿移出（由蓝色虚线显示）。多从机配置多个从机可与单个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。图6.多从机SPI配置常规 SPI 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。从图6 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。菊花链模式图 7.多从机 SPI 菊花链配置在菊花链模式下，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。

6、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。例如在图 7 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。ADI 公司支持 SPI 的模拟开关与多路转换器ADI 公司最新一代支持 SPI 的开关可在不影响精密开关性能的情况下显著节省空间。本文的这一部分将讨论一个案例研究，说明支持SPI的开关或多路复用器如何能够大大简化系统级设计并减少所需的GPIO 数量。ADG1412是一款四通道、单刀单掷(SPST)开关，需要四个GPIO 连接到每个开关的控制输入。图9显示了微控制器和一个ADG1412之 间的连接。图9.微控制器GPIO用作开关的控制信号。随着电路板上开关数量的增加，所需GPIO的数量也会显著增加。 例如，当

7、设计一个测试仪器系统时，会使用大量开关来增加系统中的 通道数。在4X4交叉点矩阵配置中，使用四个ADG1412。此系统需 要16个GPIO，限制了标准微控制器中的可用GPIO。图10显示了使 用微控制器的16个GPIO连接四个ADG1412。为了减少GPIO数量，一种方法是使用串行转并行转换器，如图11 所示。该器件输出的并行信号可连接到开关控制输入，器件可通过串行接口 SPI 配置。此方法的缺点是外加器件会导致物料清单增加。另一种方法是使用SPI控制的开关。此方法的优点是可减少所需GPIO 的数量，并且还能消除外加串行转并行转换器的开销。如图12所示，不需要16个微控制器GPIO，只需要7个微控制器GPIO就可 以向4个ADGS1412提供SPI信号。开关可采用菊花链配置，以进一步优化GPIO数量。在菊花链配 置中，无论系统使用多少开关，都只使用主机（微控制器）的四个 GPIO。SPI MasterCDfitrdllerMicro- coiiitrDll&rSPI Master5$rlal toParallel C&riyertefADQ1412ac-&ADG1412ADG1412A

8、DG1412SPISPIF；L亠SlaveSlavSlave图 10.在多从机配置中，所需 GPIO 的数量大幅增加。CSCLK MO$| MI$OA0QU12SPISlav#SPISlaveADG14I2ADG141spi rSlaveSliv图 11.使用串行转并行转换器的多从机开关图 12.支持 SPI 的开关节省微控制器 GPIO图 13.菊花链配置的 SPI 开关可进一步优化 GPIO。图13用于说明目的。ADGS1412数据手册建议在SDO引脚上使用 一个上拉电阻。有关菊花链模式的更多信息，请参阅ADGS1412数据 手册。为简单起见，此示例使用了四个开关。随着系统中开关数量的 增加，电路板简单和节省空间的优点很重要。在6 层电路板上放置 8 个四通道SPST开关，采用4X8交叉点配置时，ADI公司支持SPI的 开关可节省 20%的总电路板空间。随着系统中开关数量的增加，电路板简单和节省空间的优点很重 要。在6层电路板上放置8个四通道SPST开关，采用4X8交叉点配 置时，ADI公司支持SPI的开关可节省20%的总电路板空间。文章 精密SPI开关配置提高通道密度详细说明了精密SPI开关配置如何 提高通道密度。图13用于说明目的。ADGS1412数据手册建议在SDO引脚上使用 一个上拉电阻。有关菊花链模式的更多信息，请参阅ADGS1412数据 手册。为简单起见，此示例使用了四个开关。随着系统中开关数量的增加，电路板简单和节省空间的优点很重 要。在6层电路板上放置8个四通道SPST开关，采用4X8交叉点配 置时，ADI公司支持SPI的开关可节省20%的总电路板空间。文章 精密 SPI 开关配置提高通道密度详细说明了精密 SPI 开关配置如何 提高通道密度。

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