[牛人杂谈] SPI时序详解

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 楼主| 天灵灵地灵灵 发表于 2016-8-28 16:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
SPI时序详解             SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口,同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK,一条数据输入线MOSI,一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。
          SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3),其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。SPI模块为了和外设进行数据交换,根据外设工作要求,其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置,时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。
如果CPOL=0,串行同步时钟的空闲状态为低电平;如果CPOL=1,串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。

SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。
         SPI时序详解---SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻SPI接口有四种不同的数据传输时序,取决于CPOL和CPHL这两位的组合。图1中表现了这四种时序,时序与CPOL、CPHL的关系也可以从图中看出。
0_1319293190z768.gif

图1


          CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平,CPOL=0,空闲电平为低电平,CPOL=1时,空闲电平为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的,CPHA=0,在每个周期的第一个时钟沿采样,CPHA=1,在每个周期的第二个时钟沿采样。由于我使用的器件工作在模式0这种时序(CPOL=0,CPHA=0),所以将图1简化为图2,只关注模式0的时序。

0_1319293300bpIr.gif

图2

          我们来关注SCK的第一个时钟周期,在时钟的前沿采样数据(上升沿,第一个时钟沿),在时钟的后沿输出数据(下降沿,第二个时钟沿)。首先来看主器件,主器件的输出口(MOSI)输出的数据bit1,在时钟的前沿被从器件采样,那主器件是在何时刻输出bit1的呢?bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前,比SCK的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件,主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的,那从器件又是在何时刻输出bit1的呢。从器件是在SSEL信号有效后,立即输出bit1,尽管此时SCK信号还没有起效。

0_1319294315H5Wx.gif

从这张图就可以很清楚的看出主从器件的bit1是怎样输出的



 楼主| 天灵灵地灵灵 发表于 2016-8-28 16:40 | 显示全部楼层
SPI,是英语Serial Peripheral Interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。
SPI是一个环形总线结构,由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成,其时序其实很简单,主要是在sck的控制下,两个双向移位寄存器进行数据交换。

上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

上升沿到来的时候,sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。
下降沿到来的时候,sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。

假设主机和从机初始化就绪:并且主机的sbuff=0xaa (10101010),从机的sbuff=0x55 (01010101),下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍(假设上升沿发送数据)。

---------------------------------------------------
脉冲      主机sbuff 从机sbuff sdi sdo
---------------------------------------------------
0 00-0   10101010 01010101 0 0
---------------------------------------------------
1 0--1   0101010x 10101011
0 1
1 1--0   0101010
0
10101011 0 1
---------------------------------------------------
2 0--1   1010100x 0101011
0
1 0
2 1--0   1010100
1 01010110 1
0
---------------------------------------------------
3 0--1   0101001x 1010110
1 0 1
3 1--0   01010010 10101101 0
1
---------------------------------------------------
4 0--1   1010010x 0101101
0 1 0
4 1--0   10100101 01011010 1
0
---------------------------------------------------
5 0--1   0100101x 1011010
1
0 1
5 1--0   0100101
0 10110101 0
1
---------------------------------------------------
6 0--1   1001010x 0110101
0 1 0
6 1--0   10010101 01101010 1
0
---------------------------------------------------
7 0--1   0010101x 1101010
1 0 1
7 1--0   00101010 11010101 0
1
---------------------------------------------------
8 0--1   0101010x 1010101
0 1 0
8 1--0   01010101 10101010 1
0
---------------------------------------------------

这样就完成了两个寄存器8位的交换,上面的0--1表示上升沿、1--0表示下降沿,sdi、 sdo相对于主机而言的。根据以上分析,一个完整的传送周期是16位,即两个字节,因为,首先主机要发送命令过去,然后从机根据主机的名准备数据,主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。
SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口,同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK,一条数据输入线MOSI,一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。



SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。

SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3),其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。

SPI模块为了和外设进行数据交换,根据外设工作要求,其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置,时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0,串行同步时钟的空闲状态为低电平;如果CPOL=1,串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。 SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。


 楼主| 天灵灵地灵灵 发表于 2016-8-28 16:41 | 显示全部楼层

SPI时序图详解-SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻

SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻

SPI接口有四种不同的数据传输时序,取决于CPOL和CPHL这两位的组合。图1中表现了这四种时序,
时序与CPOL、CPHL的关系也可以从图中看出。


2654309030398430019.jpg
图1


CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平,CPOL=0,空闲电平为低电平,CPOL=1时,

空闲电平为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的,CPHA=0,在每个周期的第一个时钟沿采样,

CPHA=1,在每个周期的第二个时钟沿采样。


由于我使用的器件工作在模式0这种时序(CPOL=0,CPHA=0),所以将图1简化为图2,
只关注模式0的时序。

2828260566005613698.jpg
图2



我们来关注SCK的第一个时钟周期,在时钟的前沿采样数据(上升沿,第一个时钟沿),
在时钟的后沿输出数据(下降沿,第二个时钟沿)。首先来看主器件,主器件的输出口(MOSI)输出的数据bit1,
在时钟的前沿被从器件采样,那主器件是在何时刻输出bit1的呢?bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前,
比 SCK的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件,
主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的,那从器件又是在何时刻输出bit1的呢。
从器件是在SSEL信号有效后,立即输出bit1,尽管此时SCK信号还没有起效。关于上面的主器件
和从器件输出bit1位的时刻,可以从图3、4中得到验证。



2296835809959749275.jpg
图3



注意图3中,CS信号有效后(低电平有效,注意CS下降沿后发生的情况),故意用延时程序
延时了一段时间,之后再向数据寄存器写入了要发送的数据,来观察主器件输出bit1的情况(MOSI)。
可以看出,bit1(值为1)是在SCK信号有效之前的半个时钟周期的时刻开始输出的(与CS信号无关),
到了SCK的第一个时钟周期的上升沿正好被从器件采样。

3372070220995040666.jpg
图4


图4中,注意看CS和MISO信号。我们可以看出,CS信号有效后,从器件立刻输出了bit1(值为1)。


通常我们进行的spi操作都是16位的。图5记录了第一个字节和第二个字节间的相互衔接的过程。
第一个字节的最后一位在SCK的上升沿被采样,随后的SCK下降沿,从器件就输出了第二个字节的第一位。
606578574828409188.jpg

SPI总线协议介绍(接口定义,传输时序)


 楼主| 天灵灵地灵灵 发表于 2016-8-28 16:42 | 显示全部楼层

一、技术性能
SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口,采用主从模式(Master Slave)架构;支持多slave模式应用,一般仅支持单Master。
时钟由Master控制,在时钟移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,低位在后(MSB first);SPI接口有2根单向数据线,为全双工通信,目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。

-------------------------------------------------------
二、接口定义
SPI接口共有4根信号线,分别是:设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。


2706663376066615118.jpg
(1)MOSI:主器件数据输出,从器件数据输入
(2)MISO:主器件数据输入,从器件数据输出
(3)SCLK :时钟信号,由主器件产生
(4)/SS:从器件使能信号,由主器件控制

-------------------------------------------------------
三、内部结构

2537778390040217911.gif
四、传输时序

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如下图所示,在SCLK的下降沿上数据改变,上升沿一位数据被存入移位寄存器。
1294221942932541104.gif
SPI接口没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。

 楼主| 天灵灵地灵灵 发表于 2016-8-28 23:04 | 显示全部楼层
这种Loopback是啥意思,就是自己发出去,自己收回来吗
  1. /******************************************************************************
  2. * [url=home.php?mod=space&uid=288409]@file[/url]     main.c
  3. * [url=home.php?mod=space&uid=895143]@version[/url]  V2.00
  4. * $Revision: 2 $
  5. * $Date: 14/12/25 10:24a $
  6. * @brief
  7. *           Implement SPI Master loop back transfer.
  8. *           This sample code needs to connect SPI0_MISO0 pin and SPI0_MOSI0 pin together.
  9. *           It will compare the received data with transmitted data.
  10. * @note
  11. * Copyright (C) 2014 Nuvoton Technology Corp. All rights reserved.
  12. *****************************************************************************/
  13. #include <stdio.h>
  14. #include "M0518.h"

  15. #define TEST_COUNT             64

  16. uint32_t g_au32SourceData[TEST_COUNT];
  17. uint32_t g_au32DestinationData[TEST_COUNT];

  18. /* Function prototype declaration */
  19. void SYS_Init(void);
  20. void SPI_Init(void);

  21. /* ------------- */
  22. /* Main function */
  23. /* ------------- */
  24. int main(void)
  25. {
  26.     uint32_t u32DataCount, u32TestCount, u32Err;

  27.     /* Unlock protected registers */
  28.     SYS_UnlockReg();

  29.     SYS_Init();

  30.     /* Lock protected registers */
  31.     SYS_LockReg();

  32.     /* Configure UART0: 115200, 8-bit word, no parity bit, 1 stop bit. */
  33.     UART_Open(UART0, 115200);

  34.     /* Init SPI */
  35.     SPI_Init();

  36.     printf("\n\n");
  37.     printf("+--------------------------------------------------------------------+\n");
  38.     printf("|                   M0518 SPI Driver Sample Code                    |\n");
  39.     printf("+--------------------------------------------------------------------+\n");
  40.     printf("\n");
  41.     printf("\nThis sample code demonstrates SPI0 self loop back data transfer.\n");
  42.     printf(" SPI0 configuration:\n");
  43.     printf("     Master mode; data width 32 bits.\n");
  44.     printf(" I/O connection:\n");
  45.     printf("     PC.3 SPI0_MOSI0 <--> PC.2 SPI0_MISO0 \n");

  46.     printf("\nSPI0 Loopback test ");

  47.     u32Err = 0;
  48.     for(u32TestCount = 0; u32TestCount < 0x1000; u32TestCount++)
  49.     {
  50.         /* set the source data and clear the destination buffer */
  51.         for(u32DataCount = 0; u32DataCount < TEST_COUNT; u32DataCount++)
  52.         {
  53.             g_au32SourceData[u32DataCount] = u32DataCount;
  54.             g_au32DestinationData[u32DataCount] = 0;
  55.         }

  56.         u32DataCount = 0;

  57.         if((u32TestCount & 0x1FF) == 0)
  58.         {
  59.             putchar('.');
  60.         }

  61.         while(1)
  62.         {
  63.             /* Write to TX register */
  64.             SPI_WRITE_TX(SPI0, g_au32SourceData[u32DataCount]);
  65.             /* Trigger SPI data transfer */
  66.             SPI_TRIGGER(SPI0);
  67.             /* Check SPI0 busy status */
  68.             while(SPI_IS_BUSY(SPI0));
  69.             /* Read received data */
  70.             g_au32DestinationData[u32DataCount] = SPI_READ_RX(SPI0);
  71.             u32DataCount++;
  72.             if(u32DataCount > TEST_COUNT)
  73.                 break;
  74.         }

  75.         /*  Check the received data */
  76.         for(u32DataCount = 0; u32DataCount < TEST_COUNT; u32DataCount++)
  77.         {
  78.             if(g_au32DestinationData[u32DataCount] != g_au32SourceData[u32DataCount])
  79.                 u32Err = 1;
  80.         }

  81.         if(u32Err)
  82.             break;
  83.     }

  84.     if(u32Err)
  85.         printf(" [FAIL]\n\n");
  86.     else
  87.         printf(" [PASS]\n\n");

  88.     /* Close SPI0 */
  89.     SPI_Close(SPI0);

  90.     while(1);
  91. }

  92. void SYS_Init(void)
  93. {

  94.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
  95.     /* Init System Clock                                                                                       */
  96.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/

  97.     /* Enable external 12MHz XTAL */
  98.     CLK_EnableXtalRC(CLK_PWRCON_XTL12M_EN_Msk);

  99.     /* Waiting for clock ready */
  100.     CLK_WaitClockReady(CLK_CLKSTATUS_XTL12M_STB_Msk);

  101.     /* Switch HCLK clock source to HXT and HCLK source divide 1 */
  102.     CLK_SetHCLK(CLK_CLKSEL0_HCLK_S_HXT, CLK_CLKDIV_HCLK(1));

  103.     /* Select HXT as the clock source of UART0 */
  104.     CLK_SetModuleClock(UART0_MODULE, CLK_CLKSEL1_UART_S_HXT, CLK_CLKDIV_UART(1));

  105.     /* Select HCLK as the clock source of SPI0 */
  106.     CLK_SetModuleClock(SPI0_MODULE, CLK_CLKSEL1_SPI0_S_HCLK, MODULE_NoMsk);

  107.     /* Enable UART peripheral clock */
  108.     CLK_EnableModuleClock(UART0_MODULE);
  109.     /* Enable SPI0 peripheral clock */
  110.     CLK_EnableModuleClock(SPI0_MODULE);

  111.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
  112.     /* Init I/O Multi-function                                                                                 */
  113.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/

  114.     /* Set PB multi-function pins for UART0 RXD and TXD */
  115.     SYS->GPB_MFP = SYS_GPB_MFP_PB0_UART0_RXD | SYS_GPB_MFP_PB1_UART0_TXD;

  116.     /* Setup SPI0 multi-function pins */
  117.     SYS->GPC_MFP = SYS_GPC_MFP_PC0_SPI0_SS0 | SYS_GPC_MFP_PC1_SPI0_CLK | SYS_GPC_MFP_PC2_SPI0_MISO0 | SYS_GPC_MFP_PC3_SPI0_MOSI0;
  118.     SYS->ALT_MFP = SYS_ALT_MFP_PC0_SPI0_SS0 | SYS_ALT_MFP_PC1_SPI0_CLK | SYS_ALT_MFP_PC2_SPI0_MISO0 | SYS_ALT_MFP_PC3_SPI0_MOSI0;

  119.     /* Update System Core Clock */
  120.     /* User can use SystemCoreClockUpdate() to calculate SystemCoreClock and CyclesPerUs automatically. */
  121.     SystemCoreClockUpdate();
  122. }

  123. void SPI_Init(void)
  124. {
  125.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
  126.     /* Init SPI                                                                                                */
  127.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
  128.     /* Configure as a master, clock idle low, 32-bit transaction, drive output on falling clock edge and latch input on rising edge. */
  129.     /* Set IP clock divider. SPI clock rate = 2MHz */
  130.     SPI_Open(SPI0, SPI_MASTER, SPI_MODE_0, 32, 2000000);

  131.     /* Enable the automatic hardware slave select function. Select the SS pin and configure as low-active. */
  132.     SPI_EnableAutoSS(SPI0, SPI_SS0, SPI_SS_ACTIVE_LOW);
  133. }

  134. /*** (C) COPYRIGHT 2014 Nuvoton Technology Corp. ***/


还是看不穿 发表于 2016-10-28 10:10 | 显示全部楼层
谢谢 分享
598330983 发表于 2016-10-29 15:03 | 显示全部楼层
SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻SPI接口有四种不同的数据传输时序,取决于CPOL和CPHL这两位的组合。
稳稳の幸福 发表于 2016-10-29 16:07 | 显示全部楼层
其实这个是类似差分信号的,在时钟信号的上升沿或下降沿发生时候读取数据。
huangcunxiake 发表于 2016-10-30 15:08 | 显示全部楼层
上升沿到来的时候,sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。
下降沿到来的时候,sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。
 楼主| 天灵灵地灵灵 发表于 2016-11-4 21:25 | 显示全部楼层
不同协议,就是不同的时序图,实际上原理是相同的。
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