SPI接口
SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)是Motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准,在很多器件中被广泛应用。
1. 接口
SPI接口经常被称为4线串行总线,SPI协议是主从模式:从机不主动发起访问,总是被动执行操作,数据传输过程由主机初始化。
如图1所示,其使用的4条信号线分别为:
1) SCLK:串行时钟,用来同步数据传输,由主机输出;
2) MOSI:主机输出从机输入数据线;
3) MISO:主机输入从机输出数据线;
4) SS:片选线,低电平有效,由主机输出。
在SPI总线上,某一时刻可以出现多个从机,但只能存在一个主机,主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性,使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。
2. 数据传输
在一个SPI时钟周期内,会完成如下操作:
1) 主机通过MOSI线发送1位数据,从机通过该线读取这1位数据;
2) 从机通过MISO线发送1位数据,主机通过该线读取这1位数据。
这是通过移位寄存器来实现的。如图2所示,主机和从机各有一个移位寄存器,且二者连接成环。随着时钟脉冲,数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器,并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时,相当于完成了两个寄存器内容的交换。
3. 时钟极性和时钟相位
在SPI操作中,最重要的两项设置就是时钟极性Clock polarity(CPOL或UCCKPL)和时钟相位Clock phase(CPHA或UCCKPH)。时钟极性设置时钟空闲时的电平,时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。
主机和从机的发送数据是同时完成的,两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信,应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。
举例来说,分别选取MSP430控制器和OLED驱动SH1101A为主从机,下图为它们的SPI时序。由图可知,SH1101A的SPI时钟空闲时为高电平(CPOL=1),并且在后时钟沿接收数据(CPHA=1),则MSP430控制器SPI的设置应与此保持一致。
下面两图读写时序图,从图中可知时钟极性为0,上升沿读取数据,与上图不同。
写操作时序图:
读操作时序图:
如图示为SPI读时序和写时序。按照读写时序输出字节(MOSI)就会从MSB 循环输出,同将输入字节(MISO)从LSB 循环移入,每次移动一位。
上升沿输入,下降沿输出。也就是说:MCU在时钟信号的上升沿时写(write),下降沿时读(read).
nRF24L01支持标准SPI四线接口。以nRF24L01芯片的PDF为例说明SPI的基本读写,具体代码如下:
- 单字节读时序:
- /*
- ** 函数名 : SPI_Read_OneByte
- ** 返回值 : temp--SPI读取的一字节数据
- ** 参 数 : None
- ** 描 述 : 下降沿读数据,每次读取 1 bit
- */
- uint8 SPI_Read_OneByte(void)
- {
- uint8 i;
- uint8 temp = 0;
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- temp <<= 1; //读取MISO 8次输入的值,存入temp。之所以不放在“SCK = 0”语句之后的位置是因为:
- //读取最后1byte的最后一位(即LSB)之后,不能再左移了
- SCK = 1;
- if(MISO) //读取最高位,保存至最末尾,通过左移位完成读整个字节
- temp |= 0x01;
- else
- temp &= ~0x01;
- SCK = 0; //下降沿来了(SCK从1-->0),MISO上的数据将发生改变,稳定后读取存入temp
- }
- return temp;
- }
- 单字节写时序:
- /*
- ** 函数名 : SPI_Write_OneByte
- ** 返回值 : None
- ** 参 数 : u8_writedata--SPI写入的一字节数据
- ** 描 述 : 上升沿写数据,每次写入 1 bit
- */
- void SPI_Write_OneByte(uint8 u8_writedata)
- {
- uint8 i;
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- if(u8_writedata & 0x80) //判断最高位,总是发送最高位
- MOSI_ON; //MOSI输出1,数据总线准备数据1
- else
- MOSI_OFF; //MOSI输出0,数据总线准备数据0
- SCK = 1; //上升沿来了(SCK从0-->1),数据总线上的数据写入到器件
- u8_writedata <<= 1; //左移抛弃已经输出的最高位
- SCK = 0; //拉低SCK信号,初始化为0
- }
- }
- </pre><pre name="code" class="cpp">在此基础可以写出nRF24L01寄存器的读写函数。
- nRF24L01寄存器写入函数:
- /*
- ** 函数名: nRF24L01_WriteReg
- ** 返回值: None
- ** 参 数 : (1)uint8 addr--寄存器地址
- ** (2)uint8 value--写入值
- ** 说 明 : nRF24L01寄存器写函数
- */
- void nRF24L01_WriteReg(uint8 addr, uint8 value)
- {
- CSN_OFF(); //CS片选拉低
- SPI_Write_OneByte(addr|WR); //SPI写地址命令
- SPI_Write_OneByte(value); //SPI写数据
- CSN_ON(); //CS片选拉高
- }
- nRF24L01读寄存器函数:
- /*
- ** 函数名: nRF24L01_ReadReg
- ** 返回值: value--读取寄存器值
- ** 参 数 : addr--寄存器地址
- ** 说 明 : nRF24L01寄存器读函数
- */
- uint8 nRF24L01_ReadReg(uint8 addr)
- {
- uint8 value;
- CSN_OFF(); //CS片选拉低
- SPI_Write_OneByte(addr|RR); //SPI写地址命令
- value = SPI_Read_OneByte(); //SPI读数据
- CSN_ON(); //CS片选拉高
- return value;
- }
- </pre><pre name="code" class="cpp">注:可以整合读写程序如下:
- /*
- ** 函数名 : SPI_WriteAndRead_OneByte
- ** 返回值 : u8_readdata--SPI读取的一字节数据
- ** 参 数 : u8_writedata--SPI写入的一字节数据
- ** 描 述 : 上升沿写,下降沿读
- */
- uint8 SPI_WriteAndRead_OneByte(uint8 u8_writedata)
- {
- uint8 i;
- uint8 u8_readdata = 0x00;
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- u8_readdata <<= 1; //读取MISO 8次输入的值,存入u8_readdata。
- if(u8_writedata & 0x80) //判断最高位,总是写最高位(输出最高位)
- MOSI_ON; //MOSI输出1,数据总线准备数据1
- else
- MOSI_OFF; //MOSI输出0,数据总线准备数据0
- u8_writedata <<= 1; //左移抛弃已经输出的最高位
- SCK = 1; //上升沿来了(SCK从0-->1),数据总线上的数据写入器件
- if(MISO) //读取最高位,保存至最末尾,通过左移位完成读整个字节
- u8_readdata |= 0x01;
- else
- u8_readdata &= ~0x01;
- SCK = 0; //下降沿来了(SCK从1-->0),MISO上将产生新的数据,读取存入u8——readdata
- }
- return u8_readdata;
- }
4. 优缺点
优点:
1) 支持全双工操作;
2) 操作简单;
3) 数据传输速率较高。
1) 需要占用主机较多的口线(每个从机都需要一根片选线);
2) 只支持单个主机。
参考:http://www.cnblogs.com/king-77024128/articles/2203207.html,http://jackyhau1024.blog.163.com/blog/static/1778200402015230115230854/文章中内容,在此感谢!