5.6.1 ARM微控制器外设：SPI通讯简介在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回来我们每周一次的

ARM微控制器与嵌入式系统的MOOC之旅

那么在这门课里我们已经学习了很多种外设

大家用过按键

然后也放过音乐

那么在上一个实验单元里还教大家

点亮了第一种的显示屏

我们能够做的事情已经越来越多

对了 我们还进行了时钟的中断 对吧

那么在这个单元里我们来学习一类新的外设

也是我们所学习的第二类的通讯模块

也就是SPI这样一种同步串行通讯

那么说到通讯我们回顾一下

我们前面学过的通讯模块

比如说UART异步串行通讯

其实我们当时讲了UART异步串行通讯

这样一种模型

当两个芯片当中除了共地之外

就是一个你发我收

一个我发你收这样一个一对的通讯引脚

那么它们当中是没有共用的时钟信号的

是在一个约定的速度下一边发一边收

当时讲过这当中可能会因为时钟的不同步

带来一些误码的问题

那么在异步串行通讯UART的里头

它是怎么解决这个问题的呢

大家回忆一下

是有了这么一个数据帧的概念

在一个不归零码

NRZ编码的下面用每一次的下降沿

产生一个起始位

从起始位处开始对齐

依次发送起始位

八个数据位

可能有校验位乃至停止位

在10到11个比特的宽度里

完成一个数据帧

直到归到逻辑1

到下一次的由1到0的跳变

启动下一个数据帧

于是双方的时钟在一个数据帧里对齐

保证这个数据不会出错就可以了

这就是异步串行通讯UART的数据帧的格式

不知道大家回忆起来了没有

如果没有回忆起来没关系为什么呢

因为大家做过实验

然后如果有兴趣的同学你要做设计

你还会去接GPS接GSM短信模块

你都会用它

那么在这个单元里

我们来学习一类跟它并行的知识

就是同步串行通讯当中最典型一类外设

叫SPI

那么SPI的同步串行通讯这个模块

它是Serial Peripheral Interface的缩写

所以如果你光从这个名字上来看呢

它既没有出现这个同步

也没有出现这个通讯

它是串行外设接口的这样一个词的缩写

那么这个词的意思呢非常的明确

就是通过一种串行的通讯方式

来方便我们Interface

外接很多不同的Peripheral外设 对吧

我们前面学过很多的模块

都是我们ARM微控制器内部的各种外设

时钟 IO啊这都是外设对吧

那么实际上真正的外设外设

指的更多的是我们这样一个微控制器

CPU外面的叫外设

整个微控制器这个芯片外面外接的也叫外设

那是真正的外设

那么SPI给我们提供一个对外连接

这些东西非常灵活的接口

所以我们前面提到的像GPS的模块

像这样的一些模块

有很多除了提供一个

UART的异步串行通讯的接口以外

像U-blox公司的这个GPS

它就还提供一个SPI的接口

方便我们进行外联和外扩

那么实际上呢

我们使用SPI这样一种接口

可以非常容易的在市面上找到各种各样的

具有SPI接口的外扩芯片

比如ADC芯片

比如实时钟

比如液晶屏 比如存储器 比如传感器

所以一个微控制器如果有了SPI接口

我们可以非常容易的

为它扩充一些我们所用的

这个微控制器型号不具备的功能

让它功能变得更强大

那么SPI这样一种接口

就如这两张图所示

它是一个典型的四线串行通讯接口

那么它可能一对一的连接

也可能一对多的连接

待会我们会讲

是哪四根线呢

那么我们具体看一看

这样一种四线的串行通讯

在两个一主一从的设备之间连接的时候

是一个什么样的连接关系

首先呢我们会看到会有MOSI和MISO

这样两根数据线

以及SCK或者CLK这样一根时钟线

和SS这样一根片选信号线这四根信号线

那么大家一定不要忘记的是

我们经常会说四线串行通讯

这个四线指的是这个信号

那么一定不要忘记的是

两个电路连接的时候

它们一定要共地

有一个共同的地平面

所有的信号要有电流的回路

所以其实它们

还有第五根线是地线一定要连在一起

那么具体到这个信号线来讲的时候

我们来看这样一个SPI的串行通讯

大家首先在这个后面内容讲解之前

先初步有一个概念

它是分主从的

所以这两个通讯的设备当中

有一个是Master是主机

有一个Slave是从机

那么因为有了主从

刚才说到的这四根之间的信号线

就会随着主从有进一步的定义

MOSI是Master Output Slave Input

是由主机这一边

向从机发送数据方向的数据线

而MISO Master Input Slave Output

是由从机向主机返回数据的数据线

然后SCK这根时钟线是我们做

同步串行通讯最最重要的一个特征

也就是说由主机将自己所驱动数据

发送的这样一个时钟信号

用一个引脚给出来

提供给从机

对于从机来讲这个时钟信号是输入的

它要根据这个时钟

来看主机发给它的数据

来识别每一个比特

它也要在这个时钟的驱使下

向主机返回它的数据

按照主机的时钟节拍返回数据

也就是说时钟线决定了上面两根数据线

一个比特一个比特的切换的时序

那么最后一个片选信号呢

也是由主机发送给从机

当主机要跟从机进行一次通讯的时候

应该在片选信号线上从高电平

切换给出一个低电平

告诉从机 主机正在召唤你

主机正在选通你

将要跟你进行通讯

这样一系列线的配合

完成一次SPI的同步串行通讯

大家听起来好像觉得比异步串行通讯

好像还要更麻烦

其实不然

各有各的优点和缺点

那么我们来回顾一下这样一个流程

想想它的本质是什么

实际上在主机时钟的驱动下

把自己的数据一个比特一个比特发给从机

而从机必须在同一个时钟驱使下

这个跟异步串行通讯不一样

这是同步串行通讯

同样的一个比特一个比特

把自己的数据立刻返回给主机

所以假设主机跟从机各自有一个Buffer

存储了一个字节的数据

这个时候在一个时钟驱使下

完成一个八比特的同步串行通讯

它的过程是什么样的呢

过程是像这个动画这样的

是分别完成一个比特的交换

然后如此循环反复进行多次

最终的结果是完成了彼此一个字节

在各自的缓存的对换

所以你可以理解为它构建了一个

从主机到从机之间的移位的

这样一种交换机制

这就是SPI通讯在同一个时钟驱使下

它的一种工作模式和基本的原理

那么有了一个大致的概念

我们再回过头来宏观的看看

什么是SPI的这个叫做串行外设接口

或者叫同步串行通讯

它有哪些特征呢

首先它是串行的 对吧

数据是一个比特一个比特的

其次呢 它是同步的

Synchronous

因为它的时钟信号从主机提供给了从机

大家在同一个时钟的驱使下来收和发

还有一个很重要的事情是大家没有意识到的

它是全双工的

也就是说在任何一笔通讯里

主机可以给从机发一个字节

从机也可以同时给主机反一个字节

它们俩是各自独立的线

然后会有一个主机

然后在我们刚才的例子

接了一个从机设备 对吧

所以它是一个主从模式的

有一个Master mode还有一个Slave mode

双方一定是有一个往外给时钟

有一个接收时钟

有一个MOSI是往外输出数据

有一个是MISO才往外输出数据

这样形成了一对

然后它的通讯模式

在我们刚才这个例子里头是点对点的

两个设备一主一从大家通讯

其实也可以是Bus总线的

我们待会会讲一主多从

甚至是多个主一个从

这是有可能的

最后它的

刚才定义这个模式只是笼统讲的

在时钟的驱动下 对不对

时钟怎么驱动

是用电平来决定

还是用上升沿来决定

是上升沿决定还是下降沿决定

其实都没有定死

所以它是非常的Flexible

这个凡是这个词

大家要从两面来理解

我们说它Flexible很灵活

好像是褒义的

反过来呢

SPI通讯

大家如果去做实际的编程和开发

麻烦也就麻烦在这儿

因为它太灵活了

你得想清楚 看清楚手册

你要通讯的对象

它的极性 它的相位是怎么样的

我们待会会讲

最后呢

就是它的这一个数据帧或者完成一次通讯

刚才的例子是八个比特 对吧

我们是八个比特 是四个比特

还是十六个比特

其实在SPI的协议里是可以选可以设的

当然在本门课程范畴里

我们都是以字节为单位来编程的

一般八个比特大概就够了

那么SPI通讯刚才说到它灵活又麻烦

麻烦在哪呢

我们来看一看

就是我们SPI通讯约定好了双方都用SPI

除了那个速率

除了那个波特率

大家学UART时已经有初步概念对吧

我们还是要有一些通讯协议上的约定的

对于SPI来讲

最主要的约定

就是相位和极性

我们先说第一类相位

第一类相位是SPI的第一种工作模式

在这样一种工作模式上整个时序

就如这张图所示

那么时钟永远可以有两种极性

就像我们这个图上面

一个比特一个比特宽这个SCK信号

画了一个由0变1正着的时钟

也画了一个由1变0反着的时钟

那么在任何一种相位里

这个时钟是用正的上升沿触发

还是用下降沿触发

在通讯的时候是可以选的

根据你的外设

根据你的主机你自己编程

可以工作在任意一种模式

所以时钟我们先忽略有两种极性可选

那么第一种相位是什么呢

第一种相位就是

我们每一笔的通讯总由现在蓝箭头所标的

SS片选信号的下降沿来发起

也就是说主机首先对从机

把片选信号由高变低

表示一次通讯开始了

那么这个时候

从机包括主机就各自应该

把自己要给对方的数据

在我们的MOSI和MISO引脚上

大家看这两个六边形的这个长方形的方块

里头把这个数据已经准备就绪了

就蓝箭头所指向的方向

所以这个时候在数据线上数据已经有了

然后时钟开始发生跳变的时候

时钟的第一个沿 上升或者下降 根据极性

就会通知主机和从机

各自观察

各自的输入引脚

把第一个比特的值采下来

大家注意这儿有半个周期的相位差对不对

前半个周期数据准备好了

所以在这个长方块的正中间位置

去看这个数据的值是多少这是很稳妥的

那么到了时钟信号的第二个沿

不管是上升沿还是下降沿

第二个沿

那么主机和从机各自驱动自己的输出引脚

把上面的数据换一换

换成你要输出的第二个比特

换成数据的切换

到第三个沿的时候

这个主机和从机在这第三个沿的驱使下

再来看第二个比特的值是多少

那么这样一种规律是什么呢

总结起来就是

通讯由片选信号的下降沿发起

然后时钟信号的奇数沿

总是用来通知主机和从机

去采集数据信号的数据的值

时钟信号的偶数沿

总是用来驱动我们的主机和从机

去改变数据线上的值

切换到下一个比特

就是这么一种通讯模式

我不知道大家理解没有

那么这样在编程里头

其实还有很多可以灵活的

在这样一种基本的相位模式下

比如说我们刚才说到我们的时钟

是正着的时钟还是反着的时钟

这是可选的 可以灵活的

我们的通讯数据大家回忆回忆UART

UART是约定好了

MSB和LSB谁在前头 对吧

在SPI里头这件事情没有约定好

根据我们通讯的对象或者我们通讯的双方

或者是你要通讯的外设

它的芯片手册根据这个

我们究竟是LSB在前MSB在后

还是反过来MSB在前 LSB在后

也就说比特7和比特0谁先发

也是可以设置和约定的

那么这样一些设置和约定

就导致我们这个

即使在这样一种相位模式下

还可以配置还可以灵活

那么抛开这种相位模式

另外一种相位模式是什么样的呢

就是这一种

这一种我们会发现我们的通讯的发起

不是由片选信号的下降沿产生的

片选信号要变低

否则这个芯片不响应

但是它只要是低电平的状态就可以了

那么通讯是由谁发起呢

通讯是由我们的时钟信号的

第一个沿来发起的

时钟信号的第一个沿就跟刚才不一样了

就会通知我们的主机和从机

把自己的数据更新到数据线上

各自驱动MOSI和MISO引脚

然后第二个沿驱动我们的主机和从机

看这个数据值是多少

第三个沿再来驱动它

改变一次数据值

一言以蔽之就跟刚才相位模式不一样

它变成了通讯是由时钟发起

而与这个片选信号的下降沿无关

片选信号只要还在这个过程当中

一直是低电平就可以了

而时钟信号的奇数沿总是驱动主机从机

改变自己所输出数据的值

时钟信号的第偶数个沿

总是驱动主机和从机

去看自己接收到的数据值是多少

如此周而反复

大家注意刚才是

偶数去这个驱动 奇数去看

现在是奇数驱动 偶数看

这就是两种不同的相位模式

那么在这第二种相位模式下

同样我们的时钟可以有两种极性

我们的LSB和MSB谁先发谁后发

也是可以设置可以选择的

那么在第二种模式下

有很多同学会发现

我们SS片选这个引脚

不必发生沿的跳变来驱动通讯

那意味着什么呢

意味着我们其实极端情况下

在多个字节连续通讯的时候

我们可以SS引脚一直是低电平不变就可以了

8个比特发射完

过一小会儿

背靠背的再来八个比特

这在第二种相位模式下是可以的

而在第一种相位模式下不行

每一笔通讯完

都得发生一次片选信号的跳变

所以大家对于不同的工作模式 相位模式

加以理解

你就会更多的理解我们SPI通讯的灵活性

它的相位可以变

时钟极性可以变

LSB可以变

这一排列组合就有很多种

所以说还是我那句话

灵活灵活在这儿

麻烦也麻烦在这儿

编程的时候要么双方的通讯都是你编程

你选择同一种模式

要么你看芯片的时候

看清楚你编程通讯的对象

它究竟是哪一种相位

哪一种时钟 哪一种极性

哪一种字节序

然后跟它匹配的编程

否则我们做SPI很多时候大家会卡住

说我程序觉得写的是对的

通讯就是不上

拿到的数据是错的

拿不着数据

为什么

大家仔细的抠这些细节

那么大家真的理解了吗

细节抠好了吗

UART的时候我们做过个小游戏

现在我给大家再来做一个SPI的小游戏

那么在我的课上我一般会找个志愿者

既然是MOOC课

大家自己脑补或者找个小伙伴

跟着我的步骤来自己做一做

我们说我们来找一个人

扮演一个SPI的一个Master

扮演主机对吧

然后来发送这个数据

那么在这个过程当中

我们选择了一种通讯模式是什么呢

是每次frame发送八个比特一个字节

我们的相位CPHA相位模式选择1

我们的极性CPOL选0

回到刚才那张图

相位选1

就是刚才最后这个时序相位关系图

极性选零

大家看是正脉冲还是负脉冲

对吧 我们就约定好了这个通讯

那么其实就是片选信号就不用了

就是在时钟的驱动下

来驱动数据就可以了

第一个时钟沿准备数据

第二个时钟沿看数据 对吧

然后我们要完成这个通讯的时候

跟我们做UART的游戏一样

大家自己来扮演举手代表逻辑1

放手代表逻辑0来扮演一个发送器

把一个字节的数据发送出去

让别人扮演这个slave

扮演你的slave

来接收这个数据

但是大家想想这个时候

是同步串行通讯了

一只手够吗

一只手是不够的

所以你必须左手扮演时钟信号

右手扮演Master Output Slave Input的数据信号

那么左手周期的产生时钟

右手伴随时钟的产生数据

那么在这样一种组合下

你必须在左手的一个又一个时钟节拍下

跟它同沿的去切换你右手的数据

我相信它是相当的难的

所以我在这里没有指定速率

没有指定速率有两个问题

第一 比如说我指定波特率为1

每秒一个比特

我相信很多同学的协调性不好

一定做不出来

第二 其实大家慢慢会发现

有了同步串行通讯的时钟下

这个时钟信号的速率是快是慢

其实在约定里头没有那么重要了

我反着跟着你的时钟走不就完了嘛

这就是同步串行通讯的好处

大家试一试这个游戏

也考一考你有没有理解它

那么非常短的时间

如果大家理解完了SPI的基本模式

我们再往后过一点点拔高的内容

那么对于这样一种模式下面

你会发现它有了主 有了从

它们的地位是不一样的

作为一个主机它要完成这么几个任务

它要通过片选信号选择从机

或者给从机一个片选信号为低电平

告诉从机我要与你通讯 对吧

发出片选

其次呢 它要正确的去驱动

它的时钟信号的频率 相位

还有这个极性这些特征

然后产生这样一个时钟信号把它送出去

然后伴随这样一个时钟信号

它要正确的驱动MOSI引脚往外

给主机发给从机的设备

同时在这个时钟的驱使下

一个比特一个比特的check

MISO引脚从机给它返回的数据是什么

所以CPU在我们编程的角度待会会学

总是通过向数据寄存器

写入一个新的字节

来启动一次通讯的过程

那么作为从设备

它在地位上和引脚的极性上

不像原来异步串行通讯是对等的

它也是有差异的

它主要做什么呢

它主要要监听这个片选信号

当它为低电平的时候

表示自己被选中了

然后表示自己要通讯

同时根据约定好的相位 极性这些信息

来接收时钟信号

在主机发给它的时钟信号的驱动下

按照主机要求的速度

来驱动自己MISO引脚

应该给主机发送的数据

同时查看MOSI引脚主机发给它的数据

这个主和从做的事情是不一样的

最大的区别是在片选和时钟信号上

那么某种意义上

还有若干个点

比如说典型的这个SPI

如果是一主一从

它就是一个点对点结构

那么点对点结构通讯的时候

我们刚才已经体会到了

双方要在这么灵活的模式下

约定好时钟的相位 极性 数据帧这些信息

才能保证一个SPI的主和从

能够完美无缺的通讯起来

那么要想完美无缺的通讯起来

我们的主机 我们的从机

都得在一个时钟周期之前

准备好各自要发送的数据

让它顺利的发送

而对于时钟信号

它是整个这个通讯的驱动

所以这个时钟信号

必须比较的干净 不能有毛刺

它的频率必须是双方都能产生

都能接受的范围

比如说从机最多能接受400K赫兹的时钟

那主机给的时钟就不能比它快

那么这样才能保证这个通讯

在主从两边都是正确的

然后多讲一句的是

SPI这种通讯模式除了点对点

能不能总线呢

是可以的

它虽然比较笨

但是是在传统的电子学设计里

常见的一种模式

一个主机连多个SPI从设备

比如温度传感器 湿度传感器

加上存储器连在一个SPI接口上是可以的

使我们的微控制器有非常强的扩充能力

那么我们就应该对于每一个从设备

都有一个独立的片选信号

让每一笔通讯都很清楚的知道

是选中的哪一个设备来跟它通讯

那么在这个引脚上给出低电平

那么这个引脚既可以是SS

SPI模块的引脚

也可以用我们微控制器上

任意一个IO来模拟这个片选

我们只要对IO操作给出低电平就可以了

大家在这个地方不要教条

那么能不能是多个主机呢

在极端情况下也是可以的

比如多主一从

我就不展开讲了

那么最简单的是

在我们这个模块的设计里

在我们的ARM微控制器里

是有这样的模式的

它通过一个主机

自己是主机

又感受到了片选信号被别人拉低

来察觉到有多个主机的存在

并且别人

其他的主机要说话

这样实现之间的互相的校验和避让

实现多个主机

分别对同一个设备进行读取

比如说有一个温度传感器

要被多个微控制器读取

那么极端的情况下可以这么去做

有兴趣的同学可以摸索

那么讲完了SPI的基本通讯模式

和若干个高阶段的内容

相信大家对SPI有了一个宏观的概念

特别是抽点时间玩一玩中间那个小游戏

那么在下个单元我教大家

如何真真正正的

把SPI寄存器编程给用起来