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同步外設接口(SPI)是由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的全雙工同步串行總線(xiàn)，該總線(xiàn)大量用在與EEPROM、ADC、FRAM和顯示驅動(dòng)器之類(lèi)的慢速外設器件通信。

SPI（Serial Peripheral Interface）是一種串行同步通訊協(xié)議，由一個(gè)主設備和一個(gè)或多個(gè)從設備組成，主設備啟動(dòng)一個(gè)與從設備的同步通訊，從而完成數據的交換。SPI 接口由SDI（串行數據輸入），SDO（串行數據輸出），SCK（串行移位時(shí)鐘），CS（從使能信號）四種信號構成，CS 決定了唯一的與主設備通信的從設備，如沒(méi)有CS 信號，則只能存在一個(gè)從設備，主設備通過(guò)產(chǎn)生移位時(shí)鐘來(lái)發(fā)起通訊。通訊時(shí)，數據由SDO 輸出，SDI 輸入，數據在時(shí)鐘的上升或下降沿由SDO 輸出，在緊接著(zhù)的下降或上升沿由SDI 讀入，這樣經(jīng)過(guò)8/16 次時(shí)鐘的改變，完成8/16 位數據的傳輸。

SPI通信

該總線(xiàn)通信基于主-從配置。它有以下4個(gè)信號：

MOSI:主出/從入

MISO:主入/從出

SCK:串行時(shí)鐘

SS:從屬選擇

芯片上“從屬選擇”(slave-select)的引腳數決定了可連到總線(xiàn)上的器件數量。

        在SPI傳輸中，數據是同步進(jìn)行發(fā)送和接收的。數據傳輸的時(shí)鐘基于來(lái)自主處理器的時(shí)鐘脈沖，摩托羅拉沒(méi)有定義任何通用SPI的時(shí)鐘規范。然而，最常用的時(shí) 鐘設置基于時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)兩個(gè)參數，CPOL定義SPI串行時(shí)鐘的活動(dòng)狀態(tài)，而CPHA定義相對于SO-數據位的時(shí)鐘相位。 CPOL和CPHA的設置決定了數據取樣的時(shí)鐘沿。

數據方向和通信速度

        SPI傳輸串行數據時(shí)首先傳輸最高位。波特率可以高達5Mbps，具體速度大小取決于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件傳輸速度能達到5MHz。

SPI總線(xiàn)接口及時(shí)序

SPI總線(xiàn)包括1根串行同步時(shí)鐘信號線(xiàn)以及2根數據線(xiàn)。

SPI 模塊為了和外設進(jìn)行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒(méi)有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳 輸協(xié)議之一進(jìn)行數據傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數據被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿 （上升或下降）數據被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設音時(shí)鐘相位和極性應該一致。SPI接口時(shí)序如圖3、圖4所示。

SPI是一個(gè)環(huán)形總線(xiàn)結構，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構成，其時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，主要是在sck的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數據交換。
      假設下面的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數據10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。
      那么第一個(gè)上升沿來(lái)的時(shí)候數據將會(huì )是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來(lái)的時(shí)候，sdi上的電平將所存到寄存器中去，那么這時(shí)寄存器=0101010sdi，這樣在8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，兩個(gè)寄存器的內容互相交換一次。這樣就完成里一個(gè)spi時(shí)序。
      例子：
      假設主機和從機初始化就緒：并且主機的sbuff=0xaa，從機的sbuff=0x55，下面將分步對spi的8個(gè)時(shí)鐘周期的數據情況演示一遍:假設上升沿發(fā)送數據

這樣就完成了兩個(gè)寄存器8位的交換，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相對于主機而言的。其中 ss引腳作為主機的時(shí)候，從機可以把它拉底被動(dòng)選為從機，作為從機的是時(shí)候，可以作為片選腳用。根據以上分析，一個(gè)完整的傳送周期是16位，即兩個(gè)字節， 因為，首先主機要發(fā)送命令過(guò)去，然后從機根據主機的名準備數據，主機在下一個(gè)8位時(shí)鐘周期才把數據讀回來(lái) 

SPI 總線(xiàn)是Motorola公司推出的三線(xiàn)同步接口，同步串行3線(xiàn)方式進(jìn)行通信:一條時(shí)鐘線(xiàn)SCK，一條數據輸入線(xiàn)MOSI，一條數據輸出線(xiàn)MISO;用于 CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點(diǎn)有:可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數據;可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時(shí)鐘;發(fā)送結束 中斷標志;寫(xiě)沖突保護;總線(xiàn)競爭保護等。圖3示出SPI總線(xiàn)工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實(shí)線(xiàn)表示):

圖2   SPI總線(xiàn)四種工作方式

SPI模塊為了和外設進(jìn)行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性 （CPOL）對傳輸協(xié)議沒(méi)有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相 位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數據傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數據被采樣；如果 CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升或下降）數據被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設音時(shí)鐘相位和極性應該一致。SPI接口時(shí)序如圖3、 圖4所示。

二，.SPI功能模塊的設計

根據功能定義及SPI的工作原理，將整個(gè)IP Core分為8個(gè)子模塊：uC接口模塊、時(shí)鐘分頻模塊、發(fā)送數據FIFO模塊、接收數據FIFO模塊、狀態(tài)機模塊、發(fā)送數據邏輯模塊、接收數據邏輯模塊以及中斷形式模塊。

深入分析SPI的四種傳輸協(xié)議可以發(fā)現，根據一種協(xié)議，只要對串行同步時(shí)鐘進(jìn)行轉換，就能得到其余的三種協(xié)議。為了簡(jiǎn)化設計規定，如果要連續傳輸多個(gè)數據，在兩個(gè)數據傳輸之間插入一個(gè)串行時(shí)鐘的空閑等待，這樣狀態(tài)機只需兩種狀態(tài)（空閑和工作）就能正確工作。