有哪些內容？

• SPI協(xié)議簡介

• 4線還是3線？

• 4種工作模式

• 多種傳輸速率

• SPI協(xié)議的時序

• SPI協(xié)議的升級版

• FPGA實現(xiàn)SPI協(xié)議

• SPI和IIC的對比

• 總結

SPI協(xié)議簡介

板卡內不同芯片間通訊最常用的三種串行協(xié)議：UART、I2C、SPI，之前寫過串口協(xié)議及其FPGA實現(xiàn)，今天我們來介紹SPI協(xié)議，SPI是Serial Perripheral Interface的簡稱，是由Motorola公司推出的一種高速、全雙工的總線協(xié)議。

與IIC類似，SPI也是采用主從方式工作，主機通常為FPGA、MCU或DSP等可編程控制器，從機通常為EPROM、Flash，AD/DA，音視頻處理芯片等設備。一般由SCLK、CS、MOSI，MISO四根線組成，有的地方可能是：SCK、SS、SDI、SDO等名稱，都是一樣的含義，當有多個從機存在時，通過CS來選擇要控制的從機設備。和標準SPI類似的協(xié)議，還有TI的SSP協(xié)議，區(qū)別主要在片選信號的時序上。

4線還是3線？

當我們談到SPI時，默認情況下都是指標準的4線制Motorola SPI協(xié)議，即SCLK，MOSI，MISO和CS共4根數(shù)據(jù)線，標準4線制的好處是可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全雙工傳輸。當只有一個主機和一個從機設備時，只需要一個CS，多個從機需要多個CS，各數(shù)據(jù)線的介紹：

• SCLK，時鐘信號，時鐘頻率即SPI速率，和SPI模式有關

• MOSI，主機輸出，從機輸入

• MISO，主機輸入，從機輸出

• CS，從機設備選擇，低電平有效

3線制SPI，根據(jù)不同的應用場景，主要有以下2種類型：

• 只有3根線：SCLK，CS和DI或DO，適用于單工通訊，主機只發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

• 只有3根線：SCLK，SDIO和CS，這里的SDIO作為雙向端口，適用于半雙工通訊，比如ADI的多款ADC芯片都支持雙向傳輸。在使用FPGA操作雙向端口時，作為輸入時要設置為高阻態(tài)z。

還有標準SPI協(xié)議的升級版，Dual SPI、Quad SPI和QPI等，這些協(xié)議不在本小節(jié)3線/4線制討論的范圍內，文章后面會提到。

4種工作模式

既然是進行數(shù)據(jù)傳輸，雙方就要明確從機在什么時刻去采樣主機發(fā)出的數(shù)據(jù)，主機在什么時刻去讀取從機發(fā)來的數(shù)據(jù)。對于STM32等MCU自帶的硬件SPI外設來說，可能沒有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是對于使用使用GPIO模擬或者FPGA來實現(xiàn)SPI的時序，這一點是非常重要的，這就涉及到SPI標準協(xié)議的工作模式了，通過CPOL（Clock Polarity）時鐘極性和CPHA（Clock Phase）時鐘相位的不同組合，可以分為4種模式。

一般從機器件的工作模式是固定的，主機需要采用一樣的工作模式，雙方才能正常“交流”。

CPOL=0表示，SCK在空閑狀態(tài)時為0
CPOL=1表示，SCK在空閑狀態(tài)時為1
CPHA=0表示，在SCK第一個邊沿時輸入輸出數(shù)據(jù)有效
CPHA=1表示，在SCK第二個邊沿時輸入輸出數(shù)據(jù)有效
這四種模式中，應用最廣泛的是模式0和3，大多數(shù)SPI器件都同時支持這兩種工作模式，其實這些都不重要，具體采用什么模式，看你的器件手冊就知道了。

以我最近工作中使用到的一款Cypress的鐵電存儲器FM25V05為例，在其官方DataSheet上介紹同時支持SPI Mode 0和Mode 3，

根據(jù)后面的時序圖，可以得知SPI mode 0的讀寫時序，圖中可以看出SCK空閑狀態(tài)為低電平，主機數(shù)據(jù)在每個上升沿被從機采樣，數(shù)據(jù)輸出同理。

對于SPI mode0，SCK空閑狀態(tài)為高電平，主機數(shù)據(jù)在每個上升沿被從機采樣，數(shù)據(jù)輸出同理。

模式1和模式2同理，模式1即CPOL=0，CPHA=1，SCK空閑為0，在SCK第二個邊沿時數(shù)據(jù)有效，即SCK下降沿有效。

模式2即CPOL=1，CPHA=0，SCK空閑為1，在SCK第一個邊沿時數(shù)據(jù)有效，即SCK下降沿有效。

在一些自帶SPI硬件外設的MCU上，設置主機的SPI模式非常簡單，只需要配置幾個寄存器的值即可，而且是寫了SCK高電平還是低電平，和第一個還是第二個邊沿，不用去記憶等于0還是等于1。以STM32F103硬件SPI配置為例：

SPI_InitTypeDef??SPI_InitStruct;

SPI_InitStruct.SPI_Mode?=SPI_Mode_Master;???????//主
.....
SPI_InitStruct.SPI_CPOL?=SPI_CPOL_High;?//SCK空閑時為高電平
SPI_InitStruct.SPI_CPHA?=SPI_CPHA_1Edge;//SCK第一個邊沿有效
.....
SPI_Init(SPI2,