SPI总线概念

SPI ( Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口)是一种同步、全双工、主从式、高速接口（UART是异步）。

来自主机或 从机 时钟上升或下降的数据同步。主机和从机器可以同时传输数据。

串行外设界面(SPI)应用：

串行外设界面(SPI)是微控制器和外围IC(如传感器，ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等)之间使用最广泛的界面之一。

SPI总线具有以下特点：

1. 连接较少，简化了电路设计。平行总线扩展方法通常需要8条数据线、8~16条地址线和2~3条控制线。这种设计只需要4条数据和控制线来实现平行扩展。
2. 设备统一编址，与系统地址无关，操作SPI独立性好。
3. 设备操作遵循统一规范，使系统软硬件具有良好的通用性。

SPI总线的系统构架

SPI由环形总线结构组成SS（CS）、SCK、MOSI、MISO构成，主要是在SCK数据交换由两个双向移位寄存器控制。

SPI信号：

• 时钟（（Serial Clock，SCK）SPI CLK，SCLK）：产生时钟信号的装置称为主机。
• 片选信号(选择外围设备片的信号线（Slave Selection，SS）CS): 由主机控制的从机使能信号。。主机的片选信号用于选择从机。(这通常是一个低电平有效信号，可以提高从机性和SPI断开连接总线。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。
• 主机输出，从机输入(（Master Out Slave In，MOSI）MOSI)：将数据从主机发送到从机的数据线。
• 主机输入，从机输出(（Master In Slave Out，MISO）MISO)：将数据从从从从机发送到主机的数据线。

主机与从机的关系：

• 主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。
• SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。

SPI数据传输

SPI数据传输是串行同步时钟信号（Serial Clock,SCK）在控制下进行。

SPI如何保证同步:

一方面控制主机的移位寄存器，另一方面控制主机的时钟发生器SCK信号线控制从机的移位寄存器，以确保主机和从机的数据交换同步进行。

SPI开始通信

主机发送时钟信号。

主机使能片选信号CS（低电平有效）选择从机。

SPI通信期间

SPI总线的主机和从机都有移位寄存器。

当主机将数据写入移位寄存器时，数据将通过MOSI信号线移位寄存器进入从机；

同时，

通过从机移位寄存器中的数据MISO信号线移位寄存器进入主机。

这样，主机和从机就完成了数据交换。

?注意：

SPI是全双工接口，主机和从机可分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。数据发送(串行移出到MOSI/SDO接收(采样或读入总线)(MISO/SDI)上的数据）同时进行。】

串行时钟沿 同步 移位和采样数据。

SPI接口允许用户灵活选择上升或下降时钟的采样和/或移位数据。

四种SPI模式

时钟相位（CPHA）和时钟极性（CPOL）

        SPI串行同步时钟可以设置为不同的极性（Clock Polarity ，CPOL）与相位（Clock Phase ，CPHA）。

❤ 时钟的极性（CPOL）

    用来决定在总线空闲时，同步时钟（SCK）信号线上的电位是高电平还是低电平。

• 当时钟极性为0时（CPOL=0），SCK信号线在空闲时为低电平
• 当时钟极性为1时（CPOL=1），SCK信号线在空闲时为高电平

      🗡   空闲状态：

                传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，

                传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。 

❤ 时钟的相位（CPHA）

     读取数据和发送数据的时钟沿（上升沿还是下降沿)。     

⭐ CPHA=1（在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样 ）

•  当时钟极性为0时（CPOL=0），取下降沿
•  当时钟极性为1时（CPOL=1），取上升沿

⭐ CPHA=0（在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样）

• 当时钟极性为0时（CPOL=0），取上升沿
• 当时钟极性为1时（CPOL=1），取下降沿

 四种SPI模式

        主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。

        根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。 

SPI模式	CPOL	CPHA	空闲状态下时钟极性	用于采样和/或移动数据的时钟相位
0	0	0	逻辑低电平	上升沿采样，下降沿移出
1	0	1	逻辑低电平	下降沿采样，上升沿移出
2	1	0	逻辑高电平	下降沿采样，上升沿移出
3	1	1	逻辑高电平	下降沿采样，上升沿移出

Mode0：CPOL= 0，CPHA = 0：（在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样 ）

        CPOL =0 ：

                时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平）

        CPHA =0：

                在第一个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第二个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE0的传输时序：

 Mode1：CPOL = 0，CPHA = 1：（在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样 ）

         CPOL =0 ：

                时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平）

        CPHA =1：

                在第二个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第一个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE1的传输时序：

 Mode2：CPOL= 1，CPHA = 0：（在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样 ）

         CPOL =1：

                时钟在数据传输前和完成后都保持高电平（时钟空闲电平为高电平）

        CPHA =0：

                在第一个时钟沿（上升沿）采样数据，

                在第二个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE2的传输时序：

  Mode3：CPOL = 1，CPHA = 1：（在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样 ）

         CPOL =1：

                时钟在数据传输前和完成后都保持高电平（时钟空闲电平为高电平）

        CPHA =1：

                在第二个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第一个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE3的传输时序：

SPI时序

设上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。 

※时钟极性和时钟相位两种选择： 

•  CPHA = 0，CPOL = 1 
•  CPHA = 1，CPOL = 0 

※根据片选信号CS选择从机 

※SPI时序 

主机和从机初始化就绪

        主机寄存器=0xaa=10101010

        从机寄存器=0x55 =01010101

第一个上升沿来的时候

         MOSI=1；主机寄存器=0101010x

         MISO=0；从机寄存器=1010101x

第一个下降沿到来的时候

        MOSI传递到从机寄存器中，从机寄存器=0101010MOSI=01010101

        MISO传递到主机寄存器中，主机寄存器=0101010MISO=01010100

8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。

        主机寄存器=01010101

        从机寄存器=10101010 

这样就完成里一个SPI时序。

根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节。

解释：

        主机先发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，

        主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来  

脉冲	主机寄存器master buffer	从机slave buffer	MISO	MOSI
0	10101010	01010101	0	0
第1个脉冲上升沿（发送）	0101010x	1010101x	0	1
第1个脉冲下降沿（接收）	01010100	10101011	0	1
第2个脉冲上升沿（发送）	1010100x	0101011x	1	0
第2个脉冲下降沿（接收）	10101001	01010110	1	0
第3个脉冲上升沿（发送）	0101001x	1010110x	0	1
第3个脉冲下降沿（接收）	01010010	10101101	0	1
第4个脉冲上升沿（发送）	1010010x	0101101x	1	0
第4个脉冲下降沿（接收）	10100101	01011010	1	0
第5个脉冲上升沿（发送）	0100101x	1011010x	0	1
第5个脉冲下降沿（接收）	01001010	10110101	0	1
第6个脉冲上升沿（发送）	1001010x	0110101x	1	0
第6个脉冲下降沿（接收）	10010101	01101010	1	0
第7个脉冲上升沿（发送）	0010101x	1101010x	0	1
第7个脉冲下降沿（接收）	00101010	11010101	0	1
第8个脉冲上升沿（发送）	0101010x	1010101x	1	0
第8个脉冲下降沿（接收）	01010101	10101010	1	0

SPI功能模块的设计

SPI的主、从设备内部均为一个8位的移位寄存器。

实际实现时，可以利用主机的Sclk信号作为移位时钟信号，按照高位在前，低位在后的顺序，依次将总线上的数据送入内部移位寄存器中，从而完成SPI的接收与发送。  

design spec

1. SCLK采用10MHz 2．模块工作时钟100MHz 3．当接收到的串行数据做串并转换，将并行数据反馈给上一级模块

4、采用 CPOL = 0 ，CPHA = 1

        CPOL =0 ：

                时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平）

        CPHA =1：

                在第一个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第二个时钟沿（下降沿）输出数据。

 SPI的SCLK信号的生成

模块时钟CLK，频率F=100MHz ， 时钟周期 =10ns

SCLK，            频率f=10MHz   ，  时钟周期 =100ns （10分频）

//模块时钟：clk      
//spi时钟：sclk
//复位信号：rst_n
//计数时钟个数的计数器：clk_cnt
//CPOL =0 （时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平））

always@(posedge clk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
     clk_cnt<=0;
     sclk<=0;
  else 
     begin
     //(10分频/2-1)
       if(clk_cnt==4'd4)
          begin
            sclk<=~sclk;
            clk_cnt<=0;
          end
       else
         begin
          clk_cnt<=clk_cnt+1; 
         end
     end

master同时的采样和输出

//master发送数据
always@(negedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
    mosi<=1'b1;
  else if(spi_done)
    mosi<=1'b1;
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     mosi<=master_buf[7];
    end
end
//master接收数据
always@(posedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
     master_buf[7:0]<=8'b0;
  else if(spi_done)
     master_buf[7:0]<=8'b0;
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     master_buf[7:0]<={master_buf[6:0],miso};
    end
 end

slave同时的采样和输出

//slave发送数据
always@(negedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
    miso<=slave_buf[0];
  else if(spi_done)
    miso<=slave_buf[0];
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     miso<=slave_buf[7];
    end
end
//slave接收数据
always@(posedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
     slave_buf[7:0]<=8'b0;
  else if(spi_done)
     slave_buf[7:0]<=8'b0;
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     slave_buf[7:0]<={slave_buf[6:0],mosi};
    end
 end

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参考： 

SPI接口简介 - 模拟/电源 - -EETOP-创芯网

【新提醒】SPI总线协议 - 霡霂的日志 - EETOP 创芯网论坛 (原名：电子顶级开发网) -

怎样理解SPI总线时钟的极性(COL)与相位(CPHA)？ - 知乎 (zhihu.com)