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SPI 接口配置

發布時間：2021-03-23瀏覽：1810

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）是Motorola公司提出的一種同步串行數據傳輸標準，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，在很多器件中被廣泛應用。

SPI相關縮寫

SS: Slave Select，選中從設備，片選。

CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （時鐘）極性

CKPHA (Clock Phase) = CPHA = PHA = Phase = （時鐘）相位

SCK = SCLK = SCL = SPI的時鐘（Serial Clock）

Edge = 邊沿，即時鐘電平變化的時刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)。

對于一個時鐘周期內，有兩個edge，分別稱為：

Leading edge = 前一個邊沿 = 第一個邊沿，對于開始電壓是1，那么就是1變成0的時候，對于開始電壓是0，那么就是0變成1的時候；

Trailing edge = 后一個邊沿 = 第二個邊沿，對于開始電壓是1，那么就是0變成1的時候（即在第一次1變成0之后，才可能有后面的0變成1），對于開始電壓是0，那么就是1變成0的時候；

接口

SPI接口經常被稱為4線串行總線，以主/從方式工作，數據傳輸過程由主機初始化。

如圖1所示，其使用的4條信號線分別為：

1) SCLK：串行時鐘，用來同步數據傳輸，由主機輸出；

2) MOSI：主機輸出從機輸入（Master Output Slaver Input）數據線；

3) MISO：主機輸入從機輸出數據線；

4) SS：片選線，低電平有效，由主機輸出

在SPI總線上，某一時刻可以出現多個從機，但只能存在一個主機，主機通過片選線來確定要通信的從機。這就要求從機的MISO口具有三態特性，使得該口線在器件未被選通時表現為高阻抗。

SPI由于接口相對簡單（只需要4根線），用途算是比較廣泛，主要應用在 EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。

即一個SPI的Master通過SPI與一個從設備，即上述的那些Flash，ADC等的Slaver SPI進行通訊。而主從設備之間通過SPI進行通訊，首先要保證兩者之間時鐘SCLK要一致，互相要商量好了，要匹配，否則，就沒法正常通訊了，即保證時序上的一致才可正常訊。而這里的SPI中的時鐘和相位，指的就是SCLk時鐘的特性，即保證主從設備兩者的時鐘的特性一致了，以保證兩者可以正常實現SPI通訊。

數據傳輸

在一個SPI時鐘周期內，會完成如下操作：

1) 主機通過MOSI線發送1位數據，從機通過該線讀取這1位數據；

2) 從機通過MISO線發送1位數據，主機通過該線讀取這1位數據。

這是通過移位來寄存器實現的。如圖2所示，主機和從機各有一個移位寄存器，且二者連接成環。隨著時鐘脈沖，數據按照從高位到低位的方式依次移出主機寄存器和從機寄存器，并且依次移入從機寄存器和主機寄存器。當寄存器中的內容全部移出時，相當于完成了兩個寄存器內容的交換。

時鐘極性和時鐘相位

在SPI操作中，最重要的兩項設置就是時鐘極性（CPOL或UCCKPL）和時鐘相位（CPHA或UCCKPH）。時鐘極性設置時鐘空閑時的電平，時鐘相位設置讀取數據和發送數據的時鐘沿。

主機和從機的發送數據是同時完成的，兩者的接收數據也是同時完成的。所以為了保證主從機正確通信，應使得它們的SPI具有相同的時鐘極性和時鐘相位。

CPOL極性

先說什么是SCLK時鐘的空閑時刻，其就是當SCLK在發送8個bit比特數據之前和之后的狀態，與此對應的，SCLK在發送數據的時候，就是正常的工作的時候，有效active的時刻了。

先說英文，其精簡解釋為：Clock Polarity = IDLE state of SCK。

再用中文詳解：

SPI的CPOL，表示當SCLK空閑idle的時候，其電平的值是低電平0還是高電平1：

CPOL=0，時鐘空閑idle時候的電平是低電平，所以當SCLK有效的時候，就是高電平，就是所謂的active-high；

CPOL=1，時鐘空閑idle時候的電平是高電平，所以當SCLK有效的時候，就是低電平，就是所謂的active-low；

CPHA相位

首先說明一點，capture strobe = latch = read = sample，都是表示數據采樣，數據有效的時刻。

相位，對應著數據采樣是在第幾個邊沿（edge），是第一個邊沿還是第二個邊沿，0對應著第一個邊沿，1對應著第二個邊沿。

CPOL=0：

對于CPHA=0，idle時候的是低電平，第一個邊沿就是從低變到高，所以是上升沿；

對于CPHA=1，idle時候的是低電平，第二個邊沿就是從高變到低，所以是下降沿；

CPOL=1：

對于CPHA=0，idle時候的是高電平，第一個邊沿就是從高變到低，所以是下降沿；

對于CPHA=1，idle時候的是高電平，第二個邊沿就是從低變到高，所以是上升沿；

用圖文形式表示，更加容易看懂：

CKP和CKE

CKP和CKE是Microchip的PIC系列芯片中的說法。

（1）CKP是Clock Polarity Select，就是極性=CPOL：

CKP，雖然名字和CPOL不一樣，但是都是指時鐘極性的選擇，定義也一樣：

CKP: Clock Polarity Select bit

1 = Idle state for clock (CK) is a high level

0 = Idle state for clock (CK) is a low level

所以不多解釋。

（2）CKE是Clock Edge Select，就是相位=CPHA：

CKE: SPI Clock Edge Select bit

1 = Transmit occurs on transition from active to Idle clock state

0 = Transmit occurs on transition from Idle to active clock state

意思是：

1 =（數據）傳輸發生在時鐘從有效狀態轉到空閑狀態的那一時刻

0 =（數據）傳輸發生在時鐘從空閑狀態轉到有效狀態的那一時刻

其中，數據傳輸的時刻，即上圖中標出的“數據transmit傳輸的時刻”。

CKE的定義也跟CPHA相同。

所以，CKP和CKE所對應的取值的含義為：

When CKP = 0:

CKE=0 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle時候是低電平，從空閑到有效，就是從低電平到高電平，所以是上升沿）

CKE=1 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle時候是低電平，從有效到空閑，就是從高電平到低電平，所以是下降沿）

When CKP = 1:

CKE=0 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle時候是高電平，從空閑到有效，就是從高電平到低電平，所以是下降沿）

CKE=1 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle時候是高電平，從有效到空閑，就是從低電平到高電平，所以是上升沿）

舉例來說，分別選取MSP430控制器和OLED驅動SH1101A為主從機，圖3和圖4為它們的SPI時序。由圖4可知，SH1101A的SPI時鐘空閑時為高電平，并且在后時鐘沿接收數據（后時鐘沿在數據的中間部位），則MSP430控制器SPI的設置應與此保持一致。從圖3中可以看出，要使得時鐘在空閑時為高電平，應將UCCKPL置1；要使得在后時鐘沿接收數據，應將UCCKPH清零。

下面再列出其他一些地方找到的，常見的SPI的四種模式的時序圖，供參考：

如何看懂和記憶CPOL和CPHA

所以，關于在其他地方介紹的，看似多么復雜難懂難記憶的CPOL和CPHA，其實經過上面解釋，就肯容易看懂了：

去看時序圖，如果時鐘SCLK的起始電平是0，那么CPOL=0，如果是1，那么CPOL=1。

然后看數據采樣時刻，即時序圖數據線上的數據矩形區域的中間所對應的位置，對應到上面SCLK時鐘的位置，對應著是第一個邊沿或是第二個邊沿，即CPHA是0或1。（對應的是上升沿還是下降沿，要根據對應的CPOL的值，才能確定）。

即：

（1）如何判斷CPOL：SCLK的空閑時候電壓是0還是1，決定了CPOL是0還是1；

（2）如何判斷CPHA：而數據采樣時刻對應著的SCLK的電平，是第一個邊沿還是第二個邊沿，對應著CPHA為0還是1。

軟件中如何設置SPI的極性和相位

SPI分主設備和從設備，兩者通過SPI協議通訊。

設置SPI的模式，是從設備的模式，決定了主設備的模式。

所以要先去搞懂從設備的SPI是何種模式，然后再將主設備的SPI的模式，設置和從設備相同的模式，即可正常通訊。

對于從設備的SPI是什么模式，有兩種：

（1）固定的，設備硬件決定的。

SPI從設備，具體是什么模式，相關的datasheet中會有描述，需要自己去datasheet中找到相關的描述，即：

關于SPI從設備，在空閑的時候，是高電平還是低電平，即決定了CPOL是0還是1；

然后再找到關于設備是在上升沿還是下降沿去采樣數據，這樣就是，在定了CPOL的值的前提下，對應著可以推算出CPHA是0還是1了。

舉例1：

CC2500 - Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver的datasheet中SPI的時序圖是：

從圖中可以看到，最開始的SCLK和結束時候的SCLK，即空閑時刻的SCLK，是低電平，推導出CPOL=0，然后可以看到數據采樣的時候，即數據最中間的那一點，對應的是SCLK的第一個邊沿，所以CPHA=0（此時對應的是上升沿）。

舉例2：

SSD1289 - 240 RGB x 320 TFT LCD Controller Driver的datasheet中提到：

“SDI is shifted into 8-bit shift register on everyrising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.”

意思是，數據是在上升沿采樣，所以可以斷定是CPOL=0，CPHA=0，或者CPOL=1，CPHA=1的模式，但是至于是哪種模式。

按理來說，接下來應該再去確定SCLK空閑時候是高電平還是低電平，用以確定CPOL是0還是1，但是datasheet中沒有提到這點。

所以，此處，目前不太確定，是兩種模式都支持，還是需要額外找證據卻確定CPOL是0還是1.

（2）可配置的，由軟件自己設定

從設備也是一個SPI控制器，4種模式都支持，此時只要自己設置為某種模式即可。

然后知道了從設備的模式后，再去將SPI主設備的模式，設置為和從設備模式一樣，即可。

對于如何配置SPI的CPOL和CPHA的話，不多細說，多數都是直接去寫對應的SPI控制器中對應寄存器中的CPOL和CPHA那兩位，寫0或寫1即可。

舉例：

此處遇到的C8051F347中的SPI就是一個SPI的controller控制器，即支持軟件配置CPOL和CPHA的值，四種模式都支持，此處C8051F347作為SPI從設備，設置了CPOL=1，CPHA=0的模式，因此，此處對應主芯片Blackfin F537中的SPI控制器，作為Master主設備，其SPI的模式也要設置為CPOL=1，CPHA=0。