嵌入式系統(tǒng)可使用一個(gè)或多個(gè)處理器或微控制器，在更復(fù)雜的系統(tǒng)中執(zhí)行專(zhuān)用操作。這些嵌入式控制器需要與其他系統(tǒng)元件、傳感器甚至其他控制器進(jìn)行通信。雖然復(fù)雜的串行接口和協(xié)議很常見(jiàn)，但可能很難進(jìn)行編程和故障排除，特別是在與之通信的設(shè)備數(shù)量較少時(shí)尤其如此。

　　設(shè)計(jì)人員需要具有簡(jiǎn)單的設(shè)備到設(shè)備數(shù)字接口的微控制器、外設(shè)和傳感器，以便可以高速處理任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，并且省去與協(xié)議相關(guān)的復(fù)雜編程任務(wù)。

　　簡(jiǎn)單的解決方案是選擇帶有串行外設(shè)接口 （SPI） 的控制器，這樣可將控制器連接到一些本地的外設(shè) IC 或傳感器。這種接口是一種簡(jiǎn)單的同步接口，使用硬件尋址并以高達(dá) 50 兆赫茲 （MHz） 的時(shí)鐘速率運(yùn)行。SPI 不使用需要尋址和狀態(tài)檢查的復(fù)雜協(xié)議，相反，它是適用于快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕窘涌?，無(wú)需復(fù)雜接口總線(xiàn)的編程開(kāi)銷(xiāo)。

　　本文將介紹 SPI 接口的基礎(chǔ)知識(shí)（包括多種工作模式），然后介紹具有 SPI 接口的微控制器和其他設(shè)備，并且說(shuō)明如何使用 SPI 接口。

　　什么是 SPI？

　　SPI 是由摩托羅拉（現(xiàn)為 NXP Semiconductors 公司的一部分）于 1985 年前后開(kāi)發(fā)，是一種適用于短距離、設(shè)備到設(shè)備通信的同步串行接口。從那時(shí)起，這種接口就已成為許多半導(dǎo)體制造商，特別是微處理器和微控制器采用的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　SPI 之所以廣受歡迎，是因?yàn)樗泻芏鄡?yōu)點(diǎn)。首先，SPI 是一種簡(jiǎn)單的硬件尋址接口，在傳輸?shù)奈粩?shù)方面具有全面的靈活性。該接口采用具有單個(gè)主設(shè)備的主從模型，可使用以高達(dá) 50 MHz 時(shí)鐘速率運(yùn)行的全雙工通信來(lái)處理多個(gè)從設(shè)備。它不使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，僅傳輸數(shù)據(jù)包，因此非常適合傳輸長(zhǎng)數(shù)據(jù)流。

　　SPI 最多可使用四條信號(hào)線(xiàn)（圖 1）。主設(shè)備（通常是處理器或控制器）為時(shí)鐘 （SCK） 和片選 （CS） 信號(hào)線(xiàn)供電并進(jìn)行控制。全多工操作由數(shù)據(jù)線(xiàn)“主出從入 （MOSI）”和“主入從出 （MISO）”進(jìn)行處理。在簡(jiǎn)單的單主單從配置中，可以省去片選信號(hào)線(xiàn)，并將從設(shè)備的 CS 輸入強(qiáng)制作為啟用的邏輯條件。如果從設(shè)備只能發(fā)送數(shù)據(jù)（半雙工通信），那么還可以省去 MOSI 線(xiàn)，進(jìn)一步減少信號(hào)計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)按時(shí)鐘信號(hào)輸出，這樣數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)似于移位寄存器，每個(gè)時(shí)鐘移出一位。

　　圖 1：基本 SPI 全雙工連接使用兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)（MOSI、MISO）、一條時(shí)鐘線(xiàn) （SCK） 和一條片選線(xiàn) （CS）。從設(shè)備上的 MOSI 有時(shí)標(biāo)記為從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入 （SDI）。MISO 可標(biāo)記為從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出 （SDO）。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　目前有兩種方法可以處理多個(gè)從設(shè)備（圖 2）。

　　圖 2：兩種處理多個(gè)從設(shè)備連接的配置。直接連接方式下每個(gè)從設(shè)備需要一個(gè)片選信號(hào)。菊花鏈連接方式僅使用一個(gè)片選信號(hào)，并將所有數(shù)據(jù)集中在一條線(xiàn)上。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　直接連接方式下每個(gè)從設(shè)備使用一條片選信號(hào)線(xiàn)。大多數(shù)微處理器都有三到四條片選線(xiàn)，這就將從設(shè)備的最大數(shù)量限制為片選線(xiàn)的數(shù)量。這在多數(shù)情況下不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但如果某個(gè)設(shè)計(jì)需要總線(xiàn)上有更多的設(shè)備，這時(shí)可以使用菊花鏈方法配置一些設(shè)備。通過(guò)菊花鏈，多個(gè)從設(shè)備可使用一個(gè)共用的片選信號(hào)，而數(shù)據(jù)則通過(guò)共用數(shù)據(jù)線(xiàn)流出。這里再次將 SPI 從設(shè)備用作移位寄存器，來(lái)自從設(shè)備的數(shù)據(jù)可以在串行多路復(fù)用流中傳播。

　　SPI 時(shí)鐘模式

　　由主設(shè)備控制并生成時(shí)鐘。時(shí)鐘的兩個(gè)屬性分別是時(shí)鐘極性 （CPOL） 和時(shí)鐘相位 （CPHA）。這些屬性控制從設(shè)備相對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)時(shí)的有效時(shí)鐘邊沿。CPOL = 0 時(shí)，將時(shí)鐘設(shè)為在邏輯 0 位置空閑。CPOL = 1 時(shí)，時(shí)鐘在邏輯 1 位置空閑。CPHA = 0 時(shí)，數(shù)據(jù)在上升沿計(jì)時(shí)，CPHA = 1 時(shí)，數(shù)據(jù)在下降沿計(jì)時(shí)（圖 3）。

　　圖 3：SPI 時(shí)鐘模式選擇確定了進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的有效時(shí)鐘邊沿。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　主設(shè)備中的 CPOL 和 CPHA 線(xiàn)路設(shè)置決定了時(shí)鐘極性以及進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的有效邊沿。模式 1 是最常用的模式，但設(shè)計(jì)人員同樣可以使用其他三種模式。

　　在示波器上可以觀察 SPI 傳輸?shù)娜齻€(gè)信號(hào)分量（圖 4）。在此示例中，傳輸?shù)氖?8 位數(shù)據(jù)包。用于觀察數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器及其 SPI 串行解碼選件。

　　圖 4：在 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器（配有串行解碼選件）上查看的 SPI 互換示例。波形如下：上面的軌跡是數(shù)據(jù)線(xiàn)，中間的軌跡是時(shí)鐘，底部的軌跡是片選信號(hào)。數(shù)據(jù)軌跡上的藍(lán)色覆蓋區(qū)顯示的是十六進(jìn)制解碼內(nèi)容。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　模式 1 時(shí)鐘由八脈沖組組成，其中空閑設(shè)置為 0 位 （CPOL = 0），數(shù)據(jù)在后沿或下降沿 （CPHA = 1） 計(jì)時(shí)。本示例中使用的示波器配有串行解碼選件，用于對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解碼。在數(shù)據(jù)軌跡上的藍(lán)色覆蓋區(qū)讀出十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)內(nèi)容。解碼僅與片選信號(hào)線(xiàn)被斷言（0 電平）時(shí)發(fā)生的數(shù)據(jù)有關(guān)?？偣灿?17 個(gè)時(shí)鐘猝發(fā)，但只有其中 5 個(gè)猝發(fā)對(duì)應(yīng)有效片選狀態(tài)。

　　波形顯示柵格下方的表格中列出了有效數(shù)據(jù)內(nèi)容，還有每個(gè)數(shù)據(jù)包相對(duì)于示波器觸發(fā)器的時(shí)間以及測(cè)量的時(shí)鐘速率（本例中的速率為 100 kb/s）。每個(gè)猝發(fā)中的時(shí)鐘周期數(shù)可設(shè)定從設(shè)備按時(shí)鐘輸出的數(shù)據(jù)位數(shù)。

　　微處理器 I/O 選擇

　　Microchip Technology 的 ATtiny816-MNR 是多種微控制器的典型代表，因?yàn)樗С侄鄠€(gè) I/O 接口（圖 5）。這款特別的控制器采用高性能、低功耗的 AVR?RISC 架構(gòu)，運(yùn)行頻率高達(dá) 200 MHz。該控制器可由 4 或 8 KB 閃存、256 或 512 字節(jié)的 SRAM 以及 128 字節(jié)的 EEPROM 進(jìn)行支持，所有這些存儲(chǔ)器均集成在一個(gè) 20 引腳封裝內(nèi)。

　　圖 5：Microchip Technology 的 ATtiny816 微控制器框圖突出顯示了 I/O 端口。該控制器配有一個(gè) SPI 端口和一個(gè) USART 端口，其中 USART 端口可配置為第二個(gè) SPI。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　此微控制器的接口側(cè)配有一個(gè)通用同步和異步收發(fā)器 （USART）、一個(gè) I2C 兼容型雙線(xiàn)接口 （TWI） 和 SPI。USART 可配置為第二個(gè) SPI 端口。

　　SPI 可使 AVR 設(shè)備和外圍設(shè)備之間，或幾個(gè)微控制器之間實(shí)現(xiàn)全雙工通信。SPI 外設(shè)可以配置為主設(shè)備或從設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)微控制器之間的通信。

　　基于 SPI 的傳感器

　　各種通過(guò) SPI 提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳感器可以與集成了 SPI 的大量微處理器和微控制器配套使用。例如，Microchip Technology 的 TC77-3.3MCTTR 數(shù)字溫度傳感器是一種可串行訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)字溫度傳感器，適用于小外形尺寸、低成本的應(yīng)用。TC77 的溫度范圍為 -55°C 至 +125°C。該傳感器采用 2.7 V 至 5.5 V 電源，運(yùn)行時(shí)消耗 250 微安 （μA） 電流，并具有僅消耗 1μA 電流的低功耗關(guān)斷模式。

　　在典型應(yīng)用中，此傳感器可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) SPI 連接與處理器相連，其溫度數(shù)據(jù)可格式化為 13 位數(shù)字值，如圖 6 所示。

　　圖 6：Microchip Technology 的 TC77 是一款易于使用的溫度傳感器，不僅外形小巧，而且成本低廉。此溫度傳感器可以快速連接到控制器或處理器，將溫度讀數(shù)轉(zhuǎn)換為 13 位數(shù)字值。如時(shí)序圖所示，通過(guò)將 CS 信號(hào)線(xiàn)斷言為邏輯 0 可啟動(dòng)通信。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　該圖顯示了 T77 溫度寄存器讀取操作的時(shí)序圖。通過(guò)斷言 CS 信號(hào)線(xiàn)并將其置于邏輯 0，可以啟動(dòng)通信。然后，傳感器會(huì)發(fā)送第一位數(shù)據(jù)。微控制器在 SCK 的上升沿讀取數(shù)據(jù)。隨后使用 SCK 的下降沿輸出傳感器的其余數(shù)據(jù)。與前面的示例一樣，此圖也是模式 1 傳輸，只不過(guò)數(shù)據(jù)字較長(zhǎng)。

　　擴(kuò)大 SPI 的使用范圍

　　除了在許多微處理器和微控制器中包含 SPI 之外，一些 IC 制造商還增強(qiáng)了該總線(xiàn)的功能。Analog Devices 的 LTC6820 isoSPI 隔離式通信接口就是個(gè)很好的例子。該 IC 為使用差分信號(hào)并通過(guò)一條雙絞線(xiàn)連接進(jìn)行通信的兩個(gè) SPI 設(shè)備提供電流隔離（圖 7）。盡管時(shí)鐘速率比 10 米距離時(shí)的 1 Mb/s 標(biāo)稱(chēng)速率有所降低，但這種信號(hào)模式將 LTC6820 SPI 接口的可用范圍延長(zhǎng)到遠(yuǎn)達(dá) 100 米 （m）。

　　圖 7：一對(duì) LTC6820 隔離器在兩個(gè) SPI 設(shè)備之間提供電流隔離。該 IC 在 10 米距離支持高達(dá) 1 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，在最遠(yuǎn) 100 米的距離內(nèi)，時(shí)鐘速率有所降低。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　隔離由脈沖變壓器提供，這種技術(shù)通常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以及讀取遠(yuǎn)程傳感器。

　　結(jié)語(yǔ)

　　SPI 解決了一些應(yīng)用中對(duì)簡(jiǎn)單、低成本、低開(kāi)銷(xiāo)接口的需求。在這些應(yīng)用中，可將源描述為數(shù)據(jù)流，而不是將數(shù)據(jù)讀寫(xiě)到地址位置。這一特性使之成為處理微控制器和傳感器、數(shù)字化儀、數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備以及其他處理器之間的設(shè)備到設(shè)備通信的理想選擇。