SPI接口簡介
作者： Piyu Dhaker
- 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）之間使用最廣泛的接口之一。本文先簡要說明SPI接口，然后介紹ADI公司支持SPI的模擬開關與多路轉換器，以及它們如何幫助減少系統電路板設計中的數字GPIO數量。
- 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鍾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
圖1. 含主機和從機的SPI配置。
4線SPI器件有四個信號：
時鍾(SPI CLK, SCLK)
片選(CS)
主機輸出、從機輸入(MOSI)
主機輸入、從機輸出(MISO) - 產生時鍾信號的器件稱為主機。主機和從機之間傳輸的數據與主機產生的時鍾同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的時鍾頻率。用戶應查閱產品數據手冊以了解SPI接口的時鍾頻率規格。
- 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。
- 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，主機需要為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，主機必須發送時鍾信號，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（采樣或讀入總線(MISO/SDI)上的數據）同時進行。串行時鍾沿同步數據的移位和采樣。SPI接口允許用戶靈活選擇時鍾的上升沿或下降沿來采樣和/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。
時鍾極性和時鍾相位
*在SPI中，主機可以選擇時鍾極性和時鍾相位。在空閑狀態期間，CPOL位設置時鍾信號的極性。空閑狀態是指傳輸開始時CS為高電平且在向低電平轉變的期間，以及傳輸結束時CS為低電平且在向高電平轉變的期間。CPHA位選擇時鍾相位。根據CPHA位的狀態，使用時鍾上升沿或下降沿來采樣和/或移位數據。主機必須根據從機的要求選擇時鍾極性和時鍾相位。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，采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空閑狀態=低電平，數據在上升沿采樣，並在下降沿移出。
圖3. SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空閑狀態= 低電平， 數據在下降沿采樣， 並在上升沿移出。
圖4. SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空閑狀態= 高電平， 數據在下降沿采樣， 並在上升沿移出。
圖5. SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空閑狀態= 高電平， 數據在上升沿采樣， 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，時鍾極性為0，表示時鍾信號的空閑狀態為低電平。此模式下的時鍾相位為1，表示數據在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），並且數據在時鍾信號的 上升沿移出（由藍色虛線顯示）。
- 圖4給出了SPI模式2的時序圖。在此模式下，時鍾極性為1，表示時鍾信號的空閑狀態為高電平。此模式下的時鍾相位為1，表示數據在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），並且數據在時鍾信號的 上升沿移出（由藍色虛線顯示）。
*圖5給出了SPI模式3的時序圖。在此模式下，時鍾極性為1，表示 時鍾信號的空閑狀態為高電平。此模式下的時鍾相位為0，表示數據在上升沿采樣（由橙色虛線顯示），並且數據在時鍾信號的 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。從機可以采用常規模式連接，或采用菊花鏈模式連接。
圖6. 多從機SPI配置。
常規SPI模式：
在常規模式下，主機需要為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線上的時鍾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，因為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，例如使用多路復用器產生片選信號。
菊花鏈模式：
圖7. 多從機SPI菊花鏈配置。
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 時鍾。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鍾周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，為使第3個從機能夠獲得數據，需要24個時鍾脈沖，而常規SPI模式下只需8個時鍾脈沖。圖8顯示了時鍾周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公司支持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的開關或多路復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。此系統需要16個GPIO，限制了標准微控制器中的可用GPIO。圖10顯示了使用微控制器的16個GPIO連接四個ADG1412。
- 為了減少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。
- 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。
- 開關可采用菊花鏈配置，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10.在多從機配置中，所需GPIO的數量大幅增加。
圖11. 使用串行轉並行轉換器的多從機開關。
圖12. 支持SPI的開關節省微控制器GPIO。
圖13. 菊花鏈配置的SPI開關可進一步優化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。有關菊花鏈模式的更多信息，請參閱ADGS1412數據 手冊。為簡單起見，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。在6層電路板 上放置8個四通道SPST開關，采用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。文章“精密SPI開關配置 提高通道密度”詳細說明了精密SPI開關配置如何提高通道密度。
- ADI公司提供多種支持SPI的模擬開關與多路轉換器。欲了解更多信息，請訪問這里。