Lecture 10 : Serial Peripheral Interface (SPI)

仍然是 Microelectronic System 里讲过的
点击这里查看 Microelectronic System 复习 : SPI
SPI 的具体传输细节在那里讲的很清晰里，这里简单提及，不再细述

概述

SPI 是一种同步通讯协议，在 1980 年代由摩托罗拉（Motorola）开发，主要用于微控制器和各种外设之间的高速数据传输。SPI 的设计目标是实现高速、全双工的通信，适用于嵌入式系统中的各种应用。

SPI 协议遵从主从架构，主设备负责发起通信并控制数据传输，而从设备则响应主设备的请求。一路 SPI 总线上通常有一个主设备和一个或多个从设备，主设备在同一时间内只有一个处于活动状态。

SPI Connection

典型的 SPI 实现一共有四根线：

MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备的线
MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备的线
SCLK（Serial Clock）：主设备生成的时钟信号线
CS/SS（Chip Select/Slave Select）：主设备选择要与之通信的从设备的线

这是典型的全双工 SPI 的四线连接，对于别的场景可能会有所不同。对于半双工的 SPI 连接，MOSI 和 MISO 可以共用一根线。对于只发送和只接收的 SPI 设备，可以只使用 MOSI 或 MISO 线。对于多主机的 SPI 连接，CS/SS 线可以是多路复用的。

传输

SPI 适合高速数据传输，通常在几 Mbps 到几十 Mbps 的范围内。SPI 的速度取决于主设备的时钟频率和从设备的响应能力。SPI 的传输速率通常比 I2C 快得多，因此适用于需要高速数据传输的应用场景。因为不用像 I2C 一样传输地址然后等待 ACK，所以 SPI 的传输延迟也更低。同时，全双工的特性让 SPI 可以同时发送和接收数据，进一步提高了传输效率。

SPI 的时序

对于 SPI 传输，需要注意 SCLK 时钟的参数，具体而言是指 CPOL（Clock Polarity）和 CPHA（Clock Phase）两个参数。CPOL 决定了时钟线在空闲的情况下的电平高低，CPHA 决定了设备在时钟的上升沿还是下降沿进行数据读取以及发送。你在实际使用中使用什么样的参数，往往由你选择的设备的数据手册决定。

SCLK Property

MBed OS 中的 SPI

SPI 主机

API 介绍来自 MBed OS 的官方文档

SPI(PinName mosi, PinName miso, PinName sclk, PinName cs): 构造函数，创建一个 SPI 对象
- mosi: 主设备输出线
- miso: 主设备输入线
- sclk: 主设备时钟线
- cs: 主设备片选线，可选参数，默认为 NC（不连接）
void format(int bits, int mode): 设置 SPI 的数据格式和时钟模式
- bits: 数据位数，通常为 8 或 16 位
- mode: 时钟模式，取值范围为 0 到 3，对应于 CPOL 和 CPHA 的组合
void frequency(int hz): 设置 SPI 的时钟频率
- hz: 时钟频率，单位为赫兹
- 默认参数是 1MHz
int write(const char *tx_buffer, int tx_length, char *rx_buffer, int rx_length): 发送和接收数据
- tx_buffer: 发送缓冲区
- tx_length: 发送数据的长度
- rx_buffer: 接收缓冲区
- rx_length: 接收数据的长度
- 总共进行交互的字节数量是 tx_length 和 rx_length 的最大值。超出部分的字节输出补全默认值
void set_default_write_value(int value): 设置默认的写入值
- value: 默认写入值，通常为 0xFF
- 有的 SPI 设备在没有数据传输的时候会发送一些数据，这个函数可以设置默认的写入值

样例程序 (来自 MBed OS 6: SPI)

cpp

/*
 * Copyright (c) 2006-2020 Arm Limited and affiliates.
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */
#include "mbed.h"

SPI spi(D11, D12, D13); // mosi, miso, sclk
DigitalOut cs(D0);

int main()
{
    // Chip must be deselected
    cs = 1;

    // Setup the spi for 8 bit data, high steady state clock,
    // second edge capture, with a 1MHz clock rate
    spi.format(8, 3);
    spi.frequency(1000000);

    // Select the device by seting chip select low
    cs = 0;

    // Send 0x8f, the command to read the WHOAMI register
    spi.write(0x8F);

    // Send a dummy byte to receive the contents of the WHOAMI register
    int whoami = spi.write(0x00);
    printf("WHOAMI register = 0x%X\n", whoami);

    // Deselect the device
    cs = 1;
}

SPI 从机

SPISlave(PinName mosi, PinName miso, PinName sclk, PinName cs): 构造函数，创建一个 SPI 从机对象
- mosi: 从设备输入线
- miso: 从设备输出线
- sclk: 从设备时钟线
- cs: 从设备片选线，可选参数，默认为 NC（不连接）
void format(int bits, int mode): 设置 SPI 的数据格式和时钟模式
- bits: 数据位数，通常为 8 或 16 位
- mode: 时钟模式，取值范围为 0 到 3，对应于 CPOL 和 CPHA 的组合
void frequency(int hz): 设置 SPI 的时钟频率
- hz: 时钟频率，单位为赫兹，默认参数是 1MHz
int receive(): 查看是否有数据可读
- 返回值
  - 0: 没有数据可读
  - 1: 有数据可读
int read(): 读取数据
- 返回值
  - 读取到的数据
void reply(int value): 回复数据
- value: 要回复的数据

样例程序 (来自 MBed OS 6: SPI Slave)

cpp

/*
 * Copyright (c) 2006-2020 Arm Limited and affiliates.
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */
#include "mbed.h"

SPISlave device(D12, D11, D13, D10); // mosi, miso, sclk, ssel

int main()
{
    device.reply(0x00);              // Prime SPI with first reply
    while (1) {
        if (device.receive()) {
            int v = device.read();   // Read byte from master
            v = (v + 1) % 0x100;     // Add one to it, modulo 256
            device.reply(v);         // Make this the next reply
        }
    }
}