SPI协议层，物理层，时钟配置，多主机模式，优缺点

SPI协议层

协议简介

• SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。
• SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
• SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议
• SPI是一个同步的数据总线，也就是说它是用 单独的数据线 和一个 单独的时钟信号 来保证 发送端和接收端的完美同步 。
• 时钟是一个振荡信号，它告诉接收端在确切的时机对数据线上的信号进行采样。
• 产生时钟的一侧称为 主机 ，另一侧称为 从机 。总是 只有一个主机 （一般来说可以是微控制器/MCU），但是可以有 多个从机 （后面详细介绍）；
• 数据的采集时机可能是 时钟信号 的 上升沿 （从低到高）或 下降沿 （从高到低）。

传输过程

• 整体的传输大概可以分为以下几个过程：

1. 主机先将NSS信号拉低，这样保证开始接收数据；
2. 当接收端检测到时钟的边沿信号时，它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）;
3. 主机发送到从机时：主机产生相应的时钟信号，然后数据一位一位地将从MOSI信号线上进行发送到从机；
4. 主机接收从机数据：如果从机需要将数据发送回主机，则主机将继续生成预定数量的时钟信号，并且从机会将数据通过MISO信号线发送；

• 这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据，也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。

SPI物理层

SPI总线命名规则

• SPI总线包括4条逻辑线，定义如下：

1. MISO：Master input slave output 主机输入，从机输出（数据来自从机）；
2. MOSI：Master output slave input 主机输出，从机输入（数据来自主机）；
3. SCLK ：Serial Clock 串行时钟信号，由主机产生发送给从机；
4. SS：Slave Select 片选信号，由主机发送，以控制与哪个从机通信，通常是低电平有效信号。

• 他制造商可能会遵循其他命名规则，但是最终他们指的相同的含义。以下是一些常用术语

1. MISO也可以是SIMO，DOUT，DO，SDO或SO（在主机端）;
2. MOSI也可以是SOMI，DIN，DI，SDI或SI（在主机端）;
3. SS也可以是CE，CS或SSEL;
4. SCLK也可以是SCK;

单主单从硬件拓扑

• 下图显示了单个主机和单个从机之间的典型SPI连接。
  
• 由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。
• 要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。

SPI时钟参数

时钟频率

• SPI总线上的主机必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。
• 主机在MOSI线上发送一位数据，从机读取它，而从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。
• 就算只进行单向的数据传输，也要保持这样的顺序。这就意味着无论接收任何数据，必须实际发送一些东西！在这种情况下，我们称其为虚拟数据；
• 从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是您想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性(CKP/Clock Polarity)

• 除了配置串行时钟速率（频率）外，SPI主设备还需要配置时钟极性。
• 根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；
• CKP可以配置为1或0。这意味着您可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。您必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平 1；

时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)

• 除配置串行时钟速率和极性外，SPI主设备还应配置时钟相位（或边沿）。根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA；
• 顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样；

时钟配置总结

• 综上几种情况，下图总结了所有时钟配置组合，并突出显示了实际采样数据的时刻；
  

时钟模式编号

• SPI的时钟极性和相位的配置通常称为 SPI模式，所有可能的模式都遵循以下约定；具体如下表所示；

多主机模式

• SPI总线必须有一个主机，但可以有多个从机，具体的多主机连接方式有定义NSS和菊花链两种。

多NSS

• 通常，每个从机都需要一条单独的SS线。
• 如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他NSS信号线的状态为高电平；如果同时将两个NSS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码。
• 具体的连接方式如下图所示：
  

菊花链

• 在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一 个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。
• 菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；
• 另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况；
• 具体的连接方式如下图所示：
  
• 最终的数据流向图可以表示为：
  

SCK为时钟信号，8clks表示8个边沿信号；其中D为数据，X为无效数据；

SPI通信优缺点

SPI通讯的优势

1. 全双工串行通信；
2. 高速数据传输速率。
3. 简单的软件配置；
4. 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
5. 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

SPI通讯的不足

1. 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
2. 通常仅支持一个主设备；
3. 需要更多的引脚（与I2C不同）；
4. 没有定义硬件级别的错误检查协议；
5. 与RS-232和CAN总线相比，只能支持__非常短__的距离；
6. 使用标准 SPI 只能实现 0.5 米的通信距离，若必须需要进行远距离传输，可考虑使用接口转换芯片实现较长距离的传输（如TI的ADS8910BEVM，通过 LVDS 接口传输 SPI 信号，可将距离延长至3M）。