完整spi总线协议详细说明.docx
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完整spi总线协议详细说明
SPI总线原理与应用篇《电子制作》2008年9月站长原创，如需引用请注明出处
大家好，通过以前的学习，我们已经对51单片机综合学习系统的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了使用IIC总线的基本知识，体会到了综合学习系统的易用性与易学性，这一期我们将一起学习SPI总线的基本原理与应用实例。
先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：
分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。
主体系统如图1所示，其配套书本教程《单片机快速入门》如图2所示。
图151单片机综合学习系统主机部分图片
图251单片机综合学习系统配套书本教程——《单片机快速入门》
上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，如图1所示，本期实验我们用到了综合系统主机、板载的AT93C46芯片，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。
SPI总线简介
SPI总线基本概念
SPI（SerialPeripheralInterface———串行外设接口）总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。
SPI总线系统是一种同步串行外设接口,允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。
外围设备包括FLASHRAM、A/D转换器、网络控制器、MCU等。
SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。
其工作模式有两种：
主模式和从模式。
SPI是一种允许一个主设备启动一个从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。
也就是SPI是一种规定好的通讯方式。
这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4根就够基本通讯了（不算电源线）。
同时传输速度也很高。
一般来说要求主设备要有SPI控制器（也可用模拟方式），就可以与基于SPI的芯片通讯了。
SPI总线系统结构
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,一般使用4条线:
串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO（DO）、主机输出/从机输入数据线MOSI（DI）和低电平有效的从机选择线CS。
MISO和MOSI用于串行接收和发送数据，先为MSB（高位），后为LSB（低位）。
在SPI设置为主机方式时，MISO是主机数据输入给，MOSI是主机数据输出线。
SCK用于提供时钟脉冲将数据一位位地传送。
SPI总线器件间传送数据框图如图3所示：
图3SPI总线器件间传送数据框图
SPI总线的接口特性
利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统。
如1个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主MCU和1个或几个从I／O设备所构成的各种系统等。
在大多数应用场合，可使用1个MCU作为主控机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。
从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。
其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。
当一个主控机通过SPI与几种不同的串行I／O芯片相连时，必须使用每片的允许控制端，这可通过MCU的I／O端口输出线来实现。
但应特别注意这些串行I／O芯片的输入输出特性：
首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。
平时未选中芯片时，输出端应处于高阻态。
若没有三态控制端，则应外加三态门。
否则MCU的MISO端只能连接1个输入芯片。
其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。
因为只有在此芯片允许时，SCK脉冲才把串行数据移入该芯片；在禁止时，SCK对芯片无影响。
若没有允许控制端，则应在外围用门电路对SCK进行控制，然后再加到芯片的时钟输入端；当然，也可以只在SPI总线上连接1个芯片，而不再连接其它输入或输出芯片。
SPI总线的数据传输
SPI是一个环形总线结构，其时序其实很简单，主要是在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
SPI数据传输原理很简单，它需要至少4根线，事实上3根也可以。
也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。
这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
在SPI方式下数据是一位一位的传输的。
这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。
数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上沿被读取。
完成一位数据传输，输入也使用同样原理。
这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。
假设8位寄存器内装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
那么第一个上升沿来的时候数据将会是高位数据SDO=1。
下降沿到来的时候，SDI上的电平将被存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010SDI，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。
这样就完成里一个SPI时序。
下面举一个实例来说明其数据传送过程。
假设主机和从机初始化就绪，并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对SPI的8个时钟周期的数据情况演示一遍:
（下表中“上”表示上升沿，“下”表示下降沿）
脉冲序号
主机缓存
从机缓存
SDI
SDO
0
10101010
01010101
0
0
1上
0101010x
1010101x
0
1
1下
01010100
10101011
0
1
2上
1010100x
0101011x
1
0
2下
10101001
01010110
1
0
3上
0101001x
1010110x
0
1
3下
01010010
10101101
0
1
4上
1010010x
0101101x
1
0
4下
10100101
01011010
1
0
5上
0100101x
1011010x
0
1
5下
01001010
10110101
0
1
6上
1001010x
0110101x
1
0
6下
10010101
01101010
1
0
7上
0010101x
1101010x
0
1
7下
00101010
11010101
0
1
8上
0101010x
1010101x
1
0
8下
01010101
10101010
1
0
表1：
脉冲与数据变化对应表
这样就完成了两个寄存器8位的交换，SDI、SDO是相对于主机而言的。
其中CS引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。
根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。
这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。
也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。
SPI还是一个数据交换协议，因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出
对于不带SPI串行总线接口的MCS51系列单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。
如我们可以定义三个普通I/O口用来模拟SPI器件的SCK、MISO、MOSI。
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，一般应将其串行时钟输出口的初始状态设置为1，而在允许接口后再置为0。
这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至单片机的模拟MISO线，此后再置SCK为1，使单片机从模拟的MOSI线输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。
至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。
此后再置SCK为0，模拟下1位数据的输入输出……，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。
对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置SCK为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据（MCU发送1位数据），从而完成1位数据的传送。
93C46存储器的软硬件设计实例
下面就以目前单片机系统中广泛应用的SPI接口的数据存储器93C46为例，介绍SPI器件的基本应用。
93C46串行存储器简介
93C46是1k位串行EEPROM储存器。
每一个储存器都可以通过DI/DO引脚写入或读出。
它的存储容量为1024位，内部为128×8位或64×16位。
93C46为串行三线SPI操作芯片，在时钟时序的同步下接收数据口的指令。
指令码为9位十进制码，具有7个指令，读、擦写使能、擦除、写、全擦、全写及擦除禁止。
该芯片擦写时间快，有擦写使能保护，可靠性高，擦写次数可达100万次，93C46的引脚功能图如图4所示。
图493C46的引脚图
CS：
芯片选择
SCK：
时钟
DI：
串行数据输入
DO：
串行数据输出
VSS：
接地
NC：
空脚（应用时不用接任何电路）
VCC：
电源
指令
起始位
操作数
地址
数据
64╳16
128╳8
64╳16
128╳8
读（READ）
1
10
A5~A0
A6~A0
清除（（ERASE）
1
11
A5~A0
A6~A0
写（WRITE）
1
01
A5~A0
A6~A0
D15~D0
D7~D0
写使能（EWEN）
1
00
11XXXX
11XXXXX
写禁止（EWDS）
1
00
00XXXX
00XXXXX
芯片清除（ERAL）
1
00
10XXXX
10XXXXX
芯片写入（WRAL）
1
00
01XXXX
01XXXXX
D15~D0
D7~D0
表2：
93C46串行EEPROM指令格式选择表
指令说明：
∙读（READ）：
当下达10XXXXXX指令后，地址（XXXXXXXX）的数据在SCK=1时由DO输出。
∙写（WRITE）：
在写入数据前，必须先下达写使能（EWEN）指令，然后再下达01XXXXXX指令后，当SCK=1时，会把数据码写入指定地址（XXXXXXXX）；而DO=0时，表示还在进行写操作，写入结束后DO会转为高电平。
写入动作完成后，必须再下达写禁止（EWDS）命令。
∙清除（ERASE）：
下达清除指令11XXXXXX后会将地址（XXXXXXXX）的数据清除。
∙写使能（EWEN）：
下达0011XXXX指令后，才可以进行写（WRITE）操作。
∙写禁止（EWDS）：
下达0000XXXX指令后，才可重复进行写入（WRITE）操作。
∙芯片清除（ERAL）：
下达0010XXXX指令后，全部禁止。
∙芯片写入（WRAL）：
下达0001XXXX指令后，全部写入“0”。
程序功能
本例用来实现对93C46存储器的读写操作，并验证数据是否正确。
此程序可以用配套实验板为硬件平台，在调试时要把功能开关调到93C46处。
本程序先分别向0x02和0x03两个地址写入0x55和0xAA，然后读其中一个地址，并将读到的数据显示出来验证是否正确。
程序默认是读0x02地址内的数据，读者也可以修改地址数据来读其它地址数据。
在实验前要先把功能开关切换到93C46的位置上，如图5，图6所示。
图593C46实验演示图
图693C46实验演示图
硬件原理图
图7硬件原理图
程序流程图
图8软件流程图
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