SPI介紹

目錄

• 1.什麼是SPI

• 2.SPI接口
  • 2.1.SPI模式：極性和時鐘相位
  • 2.2.SPI三線總線和多IO配置
• 3.SPI總線事務
  • 3.1.簡單SPI寫事務
  • 3.2.簡單SPI讀事務
  • 3.3.四線IO事務

1.什麼是SPI

SPI(Serial Peripheral Interface)[串行外圍接口]是一種接口總線，一般用於與閃存、傳感器、實時時鐘(RTCs)、模數轉換器等進行通訊。 串行外圍接口(SPI)總線是由摩托羅拉公司開發的，用於在主設備和從設備之間提供全雙工同步串行通訊。

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2.SPI接口

如圖1所示，一個標準的SPI鏈接涉及到一個主機master使用串行時鐘(SCK)、主輸出從輸入(MOSI)、主輸出從輸出(MISO)和從選擇(SS)線鏈接到一個或幾個從機slave。SCK、MOSI和MISO信號能夠由從機slave共享，而每一個從機slave都有一條唯一的SS線。

Figure 1. 4-wire SPI bus configuration with multiple slaves

2.1.SPI模式：極性和時鐘相位

SPI接口沒有定義數據交換協議，限制了開銷並容許高速數據流。時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)能夠指定爲「0」或「1」，造成四種獨特的模式，以提供主從通訊的靈活性，如圖2所示。

Figure 2. SPI bus timing

若是CPOL和CPHA都爲' 0 '(定義爲模式0)，則在時鐘的前上升沿採樣數據。目前,模式0是SPI總線通訊最多見的模式。若是CPOL爲' 1 '，CPHA爲' 0 '(模式2)，則在時鐘的前降邊緣採樣數據。一樣，CPOL = ' 0 '和CPHA = ' 1 ' (Mode 1)在尾降邊緣採樣，CPOL = ' 1 '和CPHA = ' 1 ' (Mode 3)在尾升邊緣採樣。下面的表1總結了可用的模式

CPOL：時鐘極性，表示時鐘線空閒時是高電平1仍是低電平0。
CPHA：時鐘相位，表示是在時鐘的前沿0仍是尾沿1採樣數據。

Mode	CPOL	CPHA
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

Table 1. SPI mode definitions

2.2.SPI三線總線和多IO配置

除了標準的4線配置外，SPI接口還擴展到包括各類IO標準，包括用於減小引腳數的3線和用於更高吞吐量的雙或四I/O。

在3線模式下，MOSI和MISO線路組合成單個雙向數據線，如圖3所示。事務是半雙工的，以容許雙向通訊。減小數據線的數量並以半雙工模式運行也會下降最大可能的吞吐量; 許多3線設備具備低性能要求，而設計時考慮到低引腳數。

Figure 3. 3-wire SPI configuration with one slave

多I/O變體（如雙I/O和四I/O）在標準外添加了額外的數據線，以提升吞吐量。利用多I/O模式的組件能夠與並行器件的讀取速度相媲美，同時仍然能夠減小引腳數量。這種性能提高使得可以從閃存中隨機訪問和直接執行程序（XIP）。

例如，四路I/O設備在與高速設備通訊時可提供四倍於標準4線SPI接口的性能。圖4顯示了單個四通道IO從站配置的示例。

Figure 4. Quad IO SPI configuration with one slave

3.SPI總線事務

SPI協議沒有定義數據流的結構; 數據的組成徹底取決於組件設計者。可是，許多設備遵循相同的基本格式來發送和接收數據，從而容許來自不一樣供應商的部件之間的互操做性。

3.1.簡單SPI寫事務

大多數SPI閃存都有一個寫狀態寄存器命令，用於寫入一個或兩個字節的數據，如圖5所示。要寫入狀態寄存器，SPI主機首先啓用當前器件的從選擇線。而後，主設備輸出適當的指令，後跟兩個數據字節，用於定義預期的狀態寄存器內容。因爲事務不須要返回任何數據，所以從設備將MISO線保持在高阻抗狀態，而且主設備屏蔽任何輸入數據。最後，從機選擇信號被取消以結束事務。

Figure 5. Write command using a single-byte instruction and two-byte data word

3.2.簡單SPI讀事務

狀態寄存器讀取事務與寫入事務相似，但如今利用從器件返回的數據，如圖6所示。在發送讀取狀態寄存器指令後，從器件開始以MISO線路傳輸數據，數率爲每八個時鐘週期一個字節。主機接收比特流並經過取消SS信號來完成事務。

Figure 6. Read command using a single-byte instruction and two-byte data word

3.3.四線IO事務

因爲其性能的提升，四線IO在閃存中愈來愈受歡迎。四線IO沒有使用單輸出和單輸入接口，而是使用4條獨立的半雙工數據線來傳輸和接收數據，其性能是標準四線SPI的四倍。

圖7顯示了Spansion S25FL016K串行NorFLASH器件的讀取示例命令。要從器件讀取，主器件首先在第一個IO線上發送快速讀取命令（EBh），而其餘全部命令都處於三態。接下來，主機發送地址; 因爲接口如今有4條雙向數據線，所以它能夠利用它們在8個時鐘週期內發送一個完整的24位地址和8個模式位。而後，該地址跟隨2個虛擬字節（4個時鐘週期），以容許器件有額外的時間來設置初始地址。

Figure 7. Quad mode fast read sequence for Spansion S25FL016K or equivalent

在主機發送地址週期和虛擬字節以後，組件開始發送數據字節; 每一個時鐘週期由分佈在4個IO線上的數據半字節組成，每一個數據字節總共有兩個時鐘週期。將此與咱們簡單讀取事務所需的16個時鐘週期進行比較，很容易看出爲何四模式在高速閃存應用中愈來愈受歡迎！