第6章 SPI接口及其应用

SPI(Serial Peripheral Interface)，即串行外设接口。SPI最早由Motolora半导体部门提出，最初出现在M68系列单片机上用于连接片外的EEPROM、ADC和DAC等外设。 SPI是一种伪共享的全双工/半双工的同步串行通讯接口，仅支持单主多从的系统结构。伪共享的总线结构是受到并行总线的影响，要求主机必须为每一个从机提供一个片选信号(CS)， 当某个从机的片选信号被主机置为有效电平时，主机和被选中的从机之间实现全双工/半双工的同步串行通讯。同步串行通讯，意味着SPI接口具有专用的同步时钟信号。 全双工，意味着SPI接口拥有独立的“主机写-从机读”和“主机读-从机写”串行数据传输线。半双工只需要一根串行数据线双向传输数据。

SPI接口经历多次改进，目前不仅支持单个串行数据信号，也支持2位和4位宽度的串行数据信号，在同样的时钟频率条件下串行数据线越多数据吞吐量越大。 QSPI(Quad SPI)接口的数据信号达4个，假设同步时钟信号的频率为32MHz，QSPI实际的位时钟频率达128MHz。高速的QSPI接口已经用于嵌入式系统内的大容量FlashROM、 伪静态RAM等存储器扩展，借助于MCU片上Cache单元甚至可以直接从QSPI接口的FlashROM中执行(XIP)程序。显然，SPI接口是嵌入式系统内十分重要的一种扩展接口， 与I2C接口一样，SPI也是绝大多数MCU标配的片上功能单元。

本章将了解SPI接口的信号、时序和协议规范，以及MCU片上SPI功能单元的主机模式和从机模式，并以SPI接口的显示器和协处理器、QSPI接口的FlashROM等为例讨论SPI接口的结构组成、接口电路和软件编程控制。

Note

SPI接口相关的基础概念：

  1. SPI (Serial Peripheral Interface)，一种高速同步串行外设接口，同步时钟频率可达64MHz或更高，常用于嵌入式系统内高速外设的拓展，如TFT-LCD/RGB-LCD、Ethernet、SD卡、NOR-FlashROM/NAND-FlashROM等。
  2. DSPI (Dual SPI)，DSPI仍使用4线接口，除了NSS和SCLK之外，MOSI/SDI和MISO/SDO被用作2位宽的双向串行数据线(即SDIO0、SDIO1)，在保持同步时钟频率不变的情况下，该接口的数据传输速度是SPI接口的2倍。
  3. QSPI (Quad SPI)，4位SPI(相当于4倍速传输)，QSPI使用4位宽度的双向数据线(D0~D3)，在保持同步时钟频率不变的情况下，该接口的数据传输速度是SPI接口的4倍，常用于系统内扩展大容量闪存。一般的QSPI接口使用FIFO缓存机制，而SPI接口则使用寄存器直接寻址。
  4. SPI master，SPI接口的主设备端，也是同步时钟信号(SCLK)的驱动端。SPI master控制整个传输过程，以及通讯时序(有效的时钟边沿、空闲状态的相位等)。
  5. SPI slave，SPI接口的从设备端，在传输过程中根据SPI master发出的指令或同步时钟移出或移入串行数据。
  6. D/C (Data/Command)，改进型SPI的控制信号，由SPI master驱动，该信号为高电平时表示正在传输数据帧，该信号为低电平时表示正在传输命令帧。
  7. Busy，改进型SPI的握手信号，由SPI slave驱动，该信号为高电平时表示从设备处于忙状态，不希望继续传输数据或指令；反之则表示从设备处于空闲状态，可以传输数据或指令。