天津大学微机原理第8章SPI

1、第8章 串行外围接口SPI原理及应用第1节 SPI及模式第2节 SPI管脚及相关寄存器第3节 SPI用于多机通讯第4节 SPI在系统扩展中的应用第1节 SPI及模式SPI串行外设接口总线 SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口）总线是Motorola公司推出的一种同步串行外设接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信（8位数据同时同步地被发送和接收），系统可配置为主或从操作模式。外围设备包括简单的TTL移位寄存器（用作并行输入或输出口）至复杂的LCD显示驱动器或A/D转换器等。 SPI系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，它只需4条线：

2、 串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线CS(SS）。 在SPI接口中，数据的传输只需要1个时钟信号和2条数据线。 由于SPI系统总线只需34位数据线和控制线即可扩展具有SPI的各种I/O器件，而并行总线扩展方法需8根数据线、816位地址线、23位控制线，因而SPI总线的使用可以简化电路设计，省掉了很多常规电路中的接口器件，提高了设计的可靠性。1. SPI总线系统的组成 图8-1是SPI总线系统典型结构示意图。图8-1 SPI外围扩展示意图 单片机与外围扩展器件在时钟线SCK、数据线MOSI和MISO上都是同名端相连。带

3、SPI接口的外围器件都有片选端CS。 在扩展多个SPI外围器件（如图8-1所示）时，单片机应分别通过I/O口线来分时选通外围器件。 当SPI接口上有多个SPI接口的单片机时，应区别其主从地位，在某一时刻只能由一个单片机为主器件。 图8-1中MCU（主）为主器件，MCU（从）为从器件。 SPI有较高的数据传送速度，主机方式最高速率可达1.05 Mb/s，目前不少外围器件都带有SPI接口。 在大多数应用场合中，使用1个MCU作为主机，控制数据向1个或多个从外围器件的传送。 从器件只能在主机发命令时,才能接收或向主机传送数据。 其数据的传输格式大多是高位（MSB）在前，低位(LSB）在后。 当SPI

4、工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。 发送一字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。 主SPI的时钟信号（SCK）使传输同步。 SPI总线有以下主要特性： 全双工、3线同步传输；主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。其典型时序图如图8-2所示。图8-2 SPI串行总线典型时序图单片机管脚模拟SPI接口的方法以便深入理解SPI时序1） 用一般I/O口线模拟SPI操作 对于没有SPI接口的单片机来说，可使用软件来模拟SPI的操作，包括串

5、行时钟、数据输入和输出。 对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。 对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件（slave） 图8-3为MCU与MCM2814（E2PROM）的硬件连接图。图8-3 SPI总线接口原理图PTBD2PTBD0PTBD3PTBD1QG8管脚模拟SPI输入一字节-C语言#define PTBD0 SCK;定义输出#define PTBD1MISO;定义输入#define PTBD2MOSI;定义输出unsigned char SPI_IN(void)unsigned char i, data; data = 0;SCK = 1;时

6、钟输出为1for(i=0;i8;i+)SCK = 0 /时钟输出为0,产生下降沿下降沿输入数据下降沿输入数据_asm nop;等待数据稳定等待数据稳定_asm nop;SCK = 1 /使时钟输出为1if(MISO) data += (1(7-i);/实际编程时需注意？时间不能超过1.05Mbps或更低return data;第2节 SPI管脚及相关寄存器很多单片机都有专门的SPI控制器，以及专门的管脚，不过这些管脚一般是功能复用，需要进行设置。有了专用的控制器后，不需要进行时序的模拟，数据的通信变得相对简单很多，剩下的只是操作相应的配置、状态、控制、数据寄存器而已。编程就是玩寄存器。QG8的

7、SPI管脚 一种同步串行通信模式，3线或4线系统连接QG8的SPI特点1、主从模式可选2、全双工或单线模式可选3、可编程波特率4、收发双缓冲5、时钟相位与极性可选6、从机片选输出7、高或低位在前传送模式可选。波特率计算速度由Master决定，但要了解Slave的性能：支持的模式与速度寄存器 SPI Control Register 1 (SPIC1)7-SPIESPI中断（针对SPRF和MODF标志）允许该位为“1”允许中断。SPRFSPI receive buffer full，接收满标志；MODFmode fault events，模式故障标志；6-SPESPI模块允许模块允许 如果该位设

8、置为“0”，将禁止SPI模块，导致正在进行中的数据传输终止、清除数据缓冲区、复位内部状态机、清除SPRF标志、置位SPTEF标志以指示发送缓冲区空。5-SPTIESPI发送中断允许发送中断允许针对”发送缓冲区空标志” SPTEF，“1”允许中断。4-MSTR主从模式选择主从模式选择Master/Slave Mode Select，“0”选择slave。3-CPOLClock Polarity 时钟极性时钟极性“0” 选择时钟空闲时为低电平；“1”时钟空闲高。2-CPHAClock Phase时钟相位时钟相位 “0”时，时钟的第一个“沿”位于第一数据位的中间，第一个沿就采样数据；“1”时，时钟的

9、第一个“沿”位于第一数据位的开头，第二个沿才采样数据；1-SSOESlave Select Output Enable 该位与MSTR以及SPIC2寄存器的 (MODFEN) 位共同决定SS管脚的行为；0-LSBFELSB First (Shifter Direction)“1”时低位在前；“0”时高位在前；时钟模式时钟模式SS的用法总线冲突检测功能：总线冲突检测功能：当管脚 SS 作为总线冲突指示用时（此时MSTR = 1, MODFEN = 1且SSOE = 0).当一个主器件的SS管脚变为低时，意味着还有其它Master器件试图将该主器件作为Slave来控制，此时产生总线冲突事件, 标志

10、位MODF被置“1”（读SPIS然后写然后写SPIC1清除该位），且被控制器件将更改模式为Slave（MSTR位被清除），用户程序必须保证总线冲突解除才能重新恢复器件为主模式。对于Slave模式，SS管脚一定作为片选输入用；对于Master模式，SS管脚是否被SPI控制，取决于MODFEN，当该位为“1”表示SS被SPI使用，但其功能由SSOE决定，SSOE为“1”时，SS作为片选输出；SSOE为“0”时SS作为总线冲突指示输入。寄存器 SPI Control Register 2 (SPIC2)4-MODFENMaster Mode-Fault Function Enable,总线冲突检测使

11、能,对于Slave模式该位无意义，只有在Master模式下，该位决定SS管脚是否起作用；参见前面。3-BIDIROEBidirectional Mode Output Enable 只有单线双向传输模式启用只有单线双向传输模式启用SPC0 = 1时，时，该位才有意义。在单线模式下该位才有意义。在单线模式下BIDIROE位决定模块的输出驱动是否启用。 0-输出驱动禁止，对应管脚作为输入使用。1-对应管脚作为输出。“对应管脚” 是指主模式的MOSI (MOMI)或者从模式的MISO(SISO)管脚。1-SPISWAISPI Stop in Wait Mode:0-wait模式下时钟继续运行，1-当

12、MCU进入等待模式时时钟停止。0-SPC0SPI Pin Control 0 SPC0位选择单线双向传输模式。对于从模式（位选择单线双向传输模式。对于从模式（MSTR = 0），），模块使用模块使用MISO (SISO)用于单线传输.对于主模式，模块使用MOSI (MOMI）进行单线传输。当SPC0 = 1时，BIDIROE 用于启动单线模式的输出驱动。0-模块使用独立的管脚进行数据传输；1-启用单线模式。寄存器SPI Baud Rate Register (SPIBR)寄存器SPI Status Register (SPIS)7-SPRFSPI Read Buffer Full FlagSP

13、RF用于指示一次数据传输完成，可以从用于指示一次数据传输完成，可以从SPID读取输入的数据了。读SPIS然后读取SPID可清除该标志位。0-接收缓存区无可用数据；1-接收缓冲区收到新的数据。5-SPTEFSPI Transmit Buffer Empty Flag发送数据缓冲区空标志，读发送数据缓冲区空标志，读SPIS然后写然后写SPID可可清除该标志位。清除该标志位。SPTEF=1之后必须先读SPIS，然后采用写SPID，否则写入失败。在SPTIE允许时，该位可以产生中断。在SPI空闲时，对SPID写入的数据会很快（2个bus cycles）倒入移位寄存器，允许立刻写入第二个要发送的数据给SPID.0- SPI发送缓冲区不空；1- SPI发送缓冲区空。4-MODFMaster Mode Fault Flag 当当SPI被配置成主模式时，从模式选择（被配置成主模式时，从模式选择（slave select input）管脚变低，导致）管脚变低，导致MODF被置位。该位作为总线冲突指示，只有在被置位。该位作为总线冲突指示，只有在MSTR = 1, MODFEN = 1, a