协议解析—SPI篇

以下内容是我对于学习笔记的整理和补充，仅代表我个人还比较浅薄的认知观点，如有错误还请指出，感谢各位。

基础介绍

MOSI –主机输出 / 从机输入数据线，共用。

MISO –主机输入 / 从机输出数据线，共用。

SCK –时钟线，主设备输出时钟信号至从设备，常态低电平，共用。

CS –从设备选择线。也叫 SS、CSB、CSN、EN 等，低电平有效，单独

发送数据的过程，低位先行还是高位先行都是可以自由决定的，不受限制。

标准速率可达10-50MHz，高速SPI可以达到100M以上

SPI 的工作时序模式由 CPOL（时钟极性，决定数据有效的高低）和 CPHA（时钟相位，边缘检测）组合决定。这两者都是针对于SCK而设定，极性决定了总线在空闲情况下的电平，相位则是决定了在第一还是第二个跳变沿采样，也就是我们熟悉的上下沿。如图所示，时钟的相位的不同可以分出四种情况。基本情况下我们都是用的第一种，但是有一些设备会出现强制要求某一模式或者默认不是0模式的情况，我们就需要注意主从模式的一致，不然所有的数据都会混乱。

协议解析

对于有单独的CS片选信号引脚的SPI协议而言，起始与终止信号就显得朴实无华，主机只需要拉低对应的从机CS引脚就代表选中，松开恢复高电平就是结束通信。

图中是两个SPI的移位寄存器，两者数据传输的过程就像是一个回环，寄存器中数据左移一位，最高位被移动到MOSI上，寄存器空出最低位，同时从机寄存器中数据也是左移一位，最高位放置于MISO发送，也空出来最低位，一轮交换，两者的数据都左移了一位，同时最低位被对方最高位给补上，重复以上交换8次，两者的寄存器就完整交换了对方的数据过来，寄存器的数据再被读取保存，写入新的数据就可以开始下一轮的数据交换。

具体的发送内容与其他的协议大同小异，都是先发送操作指令，对于不同的外设，其厂家提供的指令集不尽相同，在此不做赘述，只需要知道应该怎么发送即可，发送内容需要看具体的外设操作手册。

最常见的模式0，由于空闲时是低电平，又在上升沿采样，就需要我们在CS（图中是NSS）拉低，到第一个时钟周期来之前，提前把我们的数据写入数据寄存器。对于模式2也是如此，两者都是在SCL第一个跳变的边缘就需要准备好数据寄存器的内容，准备时间上相对于其余两者（其余两者都是第二个跳变沿，时间上更为充足）而言要更短，如果是硬件SPI则没有太大问题，但是对于软件SPI而言就需要注意延时了。

在高电平期间，MOSI读取寄存器中的内容并发送，MISO则是读取和接收，在一个字节的发送过程中，数据寄存器做的一直都是左移操作（如果你是低位先行则是右移），不需要准备新的数据，只有在发送完以后，寄存器的数据被读取，才会被内部总线并行地传入新的数据。

数据接收之后，主要考虑的是接收缓冲器数据保存问题，硬件设计上移位寄存器全部移位完成后，就会被接收缓冲器自动搬运，就会导致如果你在没来得及拿走缓冲器中的数据，新的数据就会自动转运，旧数据就会被覆盖，无法找回。由于SPI的速率高，多数情况下我们都会配合DMA来进行数据的转运，不需要CPU的频繁数据读取。

DMA

在此只做简单的了解，DMA涉及的范围会比较广。

Direct Memory Access，见名知义，直接内存访问。MCU工作过程中，除了自身的大量数据需要处理，还会有很多的外设挂载，他们也会产生数据需要进行处理，每次我们去操作外设搬运数据的时候，都是我们CPU在操作，如果挂载的外设过多，或者数据量大，CPU在处理、转运外设数据上就会消耗量的时间，反而我们系统原本的工作没人去做了，这肯定是不行的。

DMA由此而生，很多数据其实CPU是不需要直接去进行操作的，我们只是读取即可，那么DMA就可以帮助我们把总线上的数据自动搬运到我们指定的地方，全程硬件自动完成，不需要CPU操作，极大缓解了CPU的负担。这样哪怕是大量数据的情况，比如SPI的寄存器数据，不及时取走就会丢失，DMA就可以帮我们存到指定的地址，CPU要用的时候就再去操作，不需要频繁响应这些外设的请求了。

杂项

标准SPI不只是可以全双工运行，还可以分为两种情况；

两根数据线MOSI，MISO：半双工模式。

一根数据线：单工模式。

也就是说，没法让两根线同时收或者发，这种情况是DSPI的场景；需要注意不是所有的SPI都可以变成DSPI，DSPI需要主机和从机都支持才可以切换。DSPI就是特化写或者读的能力，比如对于存储芯片而言，我只要他的读，那就可以使用DSPI，速率是的SPI两倍，代价就是失去了写的能力。

更高的带宽只能是考虑加线，DSPI（Dual SPI Flash）就是让两根线变为输出，从而变成半双工但是数据量倍增；而QSPI则是多了两个数据线，速度再次倍增。

小结

对比于IIC，SPI的优点显而易见，十多倍的速度差距，但是代价也是很明显的，就是至少两倍的引脚消耗。同时SPI对于IIC的协议来说有了更多的模式选择，时钟相位的不同组合，任意的高低位先行，全双工设计不需要收发都挤占一根信号线，也不需要IIC那么复杂的协议流程。在实际的使用中，大多数SPI的使用情况都是屏幕或者存储一类大数据量需求的，IIC主要就是一些传感器之类的小数据需求情况。