一文讀懂 4 線 SPI

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

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降低沿同步。主機和從機能夠同時傳輸數據。SPI 接口能夠是3線式或4線式。本文重點介紹經常使用的4線SPI接口。

接 口

4 線 SPI 器件有四個信號：

時鐘(SPICLK,SCLK)
片選(CS)主機輸出
從機輸入(MOSI)主機輸入
從機輸出(MISO)
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，但能夠有一個或多個從機。圖1顯示了主機和從機之間的SPI鏈接。

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。這一般是一個低電平有效信號，拉高時從機與SPI總線斷開鏈接。當使用多個從機時，主機須要爲每一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通訊，主機必須發送時鐘信號，並經過使能CS信號選擇從機。片選一般是低電平有效信號。所以，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，主機和從機能夠分別經過MOSI和MISO線路同時發送數據。在SPI通訊期間，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接口容許用戶靈活選擇時鐘的上升沿或降低沿來採樣和/或移位數據。欲肯定使用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，主機能夠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，使用時鐘上升沿或降低沿來採樣和/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.經過CPOL和CPHA選擇SPI模式

圖2至圖5顯示了四種SPI模式下的通訊示例。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通訊，用戶須參閱產品數據手冊並確保知足器件的時序規格。

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，並在降低沿移出

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，表示數據在降低沿採樣（由橙色虛線顯示），而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，數據在降低沿採樣，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，數據在降低沿採樣，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，表示數據在降低沿採樣（由橙色虛線顯示），而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，並在降低沿移出

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），而且數據在時鐘信號的降低沿移出（由藍色虛線顯示）。

多從機配置

多個從機可與單個SPI主機一塊兒使用。從機能夠採用常規模式鏈接，或採用菊花鏈模式鏈接。

常規SPI模式

在常規模式下，主機須要爲每一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線上的時鐘和數據即可用於所選的從機。若是使能多個片選信號，則MISO線上的數據會被破壞，由於主機沒法識別哪一個從機正在傳輸數據。

從圖6能夠看出，隨着從機數量的增長，來自主機的片選線的數量也增長。這會快速增長主機須要提供的輸入和輸出數量，並限制可使用的從機數量。可使用其餘技術來增長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，全部從機的片選信號鏈接在一塊兒，數據從一個從機傳播到下一個從機。在此配置中，全部從機同時接收同一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，因爲數據是從一個從機傳播到下一個從機，因此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個從機可以得到數據，須要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顯示了時鐘週期和經過菊花鏈的數據傳播。並不是全部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狀況下顯著節省空間。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可以大大簡化系統級設計並減小所需的GPIO數量。

ADG1412是一款四通道、單刀單擲(SPST)開關，須要四個GPIO鏈接到每一個開關的控制輸入。圖9顯示了微控制器和一個ADG1412之間的鏈接。

圖9. 微控制器GPIO用做開關的控制信號

隨着電路板上開關數量的增長，所需GPIO的數量也會顯著增長。例如，當設計一個測試儀器系統時，會使用大量開關來增長系統中的通道數。在4×4交叉點矩陣配置中，使用四個ADG1412。此係統須要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鏈接四個ADG1412。

圖10. 在多從機配置中，所需GPIO的數量大幅增長

如何減小 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鏈接到開關控制輸入，器件可經過串行接口SPI配置。此方法的缺點是外加器件會致使物料清單增長。

圖11. 使用串行轉並行轉換器的多從機開關

另外一種方法是使用SPI控制的開關。此方法的優勢是可減小所需GPIO的數量，而且還能消除外加串行轉並行轉換器的開銷。如圖12所示，不須要16個微控制器GPIO，只須要7個微控制器GPIO就能夠向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，不管系統使用多少開關，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長，電路板簡單和節省空間的優勢很重要。

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。