SPI接口设计与实现
串行外设接口SPI
SPI波特率寄存器(SPI1BR)
数据位 定义 复位
D7 0 0 D6 SPPR2 0 D5 SPPR1 0 D4 SPPR0 0 D3 0 0 D2 SPR2 0 D1 SPR1 0 D0 SPR0 0
D6～D4—SPPR[2:0]为SPI波特率预分频系数 D2～D0—SPR[2:0]为SPI波特率系数源自D1SPISWAI 0
D0
SPC0 0
复位
第7、6、5和2位无效，总为0 D4—MODFEN为主模式故障功能使能 D3—BIDIROE为双向模式输出使能—双向模式由SPI管脚控制0 （SPC0=1）使能时，BIDIROE决定SPI数据输出驱动器是否被使能 为单个双向SPI I/O管脚 D1—SPISWAI为SPI停止在等待模式中 D0—SPC0为SPI管脚控制0。SPC0位用于选择单线双向模式
CPHA=0，CPOL=0时的数据/时钟时序图
CPHA=0，CPOL=1时的数据/时钟时序图
CPHA=1，CPOL=0时的数据/时钟时序图
CPHA=1，CPOL=1时的数据/时钟时序图
8.1.4
模拟SPI
对于不带SPI串行总线接口的MCU来说，可以使用软 件来模拟SPI的操作。举例说明，我们可以使用三个 普通I/O口，分别定 义为pin_SPSCK、pin_MISO、 pin_MOSI来模拟SPI器件的SPSCK、MISO、MOSI
SPI寄存器简介
偏移地址
寄存器名称与缩写
基本功能
配置SPI的基本操作模式(中断 使能、系统使能、发送中断使 能、主从模式、时钟相位、时 钟极性等) 主模式故障功能使能、双向模 式输出 为SPI主机设定预定位速率分频 因子 返回SPI的状态 读取该寄存器将返回从接收数 据缓冲器中读取的数据。写该 寄存器将会把数据写入发送数 据缓冲器
SPI接口详细说明
SPI 串行外设接口总线，最早由Motorola提出，出现在其M68系列单片机中，由于其简单实用，又不牵涉到专利问题，因此许多厂家的设备都支持该接口，广泛应用于外设控制领域。
SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的。
但正因为没有确切的版本协议，不同家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法直接互连（需要软件进行必要的修改）。
虽然SPI接口的内容非常简单，但本文仍将就其中的一些容易忽视的问题进行讨论。
SPI ( Serial Peripheral Interface )SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。
时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI 接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。
SPI接口信号线SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。
设备选择线SS-（Slave select，或CS-）SS-线用于选择激活某Slave设备，低有效，由Master驱动输出。
只有当SS-信号线为低电平时，对应Slave设备的SPI接口才处于工作状态。
SCLK：同步时钟信号线，SCLK用来同步主从设备的数据传输，由Master驱动输出，Slave设备按SCK的步调接收或发送数据。
串行数据线：SPI接口数据线是单向的，共有两根数据线，分别承担Master到Slave、Slave到Master的数据传输；但是不同厂家的数据线命名有差别。
Motorola的经典命名是MOSI和MISO，这是站在信号线的角度来命名的。
MOSI：When master, out line; when slave, in lineMISO：When master, in line; when slave, out line比如MOSI，该线上数据一定是Master流向Slave的。
SPI接口的FLASH+ROM与C8051F340的接口设计
利用交义开戈分配引脚，将引脚Ｐ０ ０配置为
ＳＣＫ（ＳＰｌ０１数字推挽．引脚Ｐ０１配置为 ＭＩＳＯ（ＳＰｌ０）数字开漏，引脚Ｐ０ ２配置为
一
圈】多主方式硅接圈 圈２ ３线单土＾式和３线单从方式连接圈
ＳＰ］接口的ＦＬＡＳＨ
ＲＯＭ。ｊ
Ｃ８０５ＩＦ３４０的接ｕ设计
ＭＯＳＩ（ＳＰＩＯ）数字推挽。为ｒ将Ｃ８０５１Ｆ３４０中的ＳＰｌ０ 设置为３线蕾十方式，麻对Ｃ８０５１Ｆ３４０中的ＳＰＩ特殊 功能寄存器进行配置，具体的配置函数如ｒ：
３
ＦＬＡＳＨ
ＲＯＭ芯片
本文所用的ＦＩ，ＡＳＨ ＲＯＭ芯片蛙美国Ａｔｍｅｌ公司推出的人容母ＳＰＩ接ｕ Ｆｌａｓｈ存储器产品 ＡＴ４５ＤＢｌ６１Ｄ。ＡＴ４５ＤＢｌ６１Ｄ是串行接口的闪存芯片，可］忭庄２
５Ｖ一２
７Ｖ，可Ｊ泛应用于数据语
音、图像、程序代码叛据存储中。ＡＴ４５ＤＢｌ６１Ｄ支持Ｒａｐｉｄｓ串行接１３，适用于高速场台。ＲａｐｉｄＳ
Ｃ８０５ １ Ｆ３４Ｘ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ．ｐｄｆ．２００６。
ＡＴ４５ＤＢｌ６１Ｄ Ｄａｔａ
２ ３
Ｓｈｅｅｔ．ｐｄｆ．２００２．
２增强型串行外设接口 本文所使用的Ｃ８０５１Ｆ３４０提供了增强型串行外设接口（ＳＰＩＯ）。ＳＰＩＯ提供访问ｎ．个全般『垌步串
行总线的能力。ＳＰｌ０可以作为主器件或从器件Ｉ作，可以使用３线或４线方式，并可在同一总线上支 持多个主器件和从器件。从选择信号（ＮＳＳ）可坎配置为输＾以选择工作在从方式的ＳＰＩＯ，或在多 土环境中禁ｌＰ主方式操作，以避免两个以上
６Ｖ或２
７Ｖ－３
６Ｖ单电源供电，进行编鞲与读取操作。它可以通过ＣＳ引
脚米进行使能．并通过二线接口（ＳＩ、ＳＯ、ＳＣＫ）进行数据通信。其；ｒ却及功能为 ／ｃｓ片选信呼：用以选中芯片。当忙ｓ被设置为无效状志时，芯片则不被选中，并且蛀丁闲置
SPI接口存储芯片测试系统的设计与实现
SPI接口存储芯片测试系统的设计与实现摘要：近年来，社会进步迅速，随着网络技术和嵌入式技术的迅猛发展，嵌入式系统已成为继PC 和Internet 之后，IT 界新的技术热点。
利用嵌入式技术实现远程监控和视频数据传输已经得到了广泛的应用，为了实现这些应用，数据传输是很重要的环节。
为了减轻数字逻辑电路数据处理的压力和便于数据交换，会用到很多起承上启下枢纽作用的芯片，而与这些芯片进行连接的接口技术大多是采用SPI 接口技术。
在很多高档单片机中，高效率高速的SPI 串行接口技术作为一种标准配置，已经应用于数据交换和扩展外设。
在嵌入式数据传输中，对于波特率、数据格式等有着严格限制的工业控制中，通用串口不再适用，必须对串口进行重新开发。
关键词：SPI接口存储芯片测试系统；设计；实现引言数字电位器亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器(模拟电位器)的新型CMOS 数字、模拟混合信号处理的集成电路。
数字电位器也可作为普通电阻使用，但现在更多的作为数字可调电位器使用。
数字电位器采用数控方式调节电阻值，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪音等显著优点。
数字电位器有数字输入控制，产生一个模拟量的输出，依据数字电位器的不同，抽头电流最大值可以从几百微安到几个毫安。
1数字电位器的特性参数数字电位器的电参数分为两类，直流参数和交流参数。
直流参数主要包括理论电阻值、变阻器差分非线性偏差、变阻器积分线性度、电刷阻抗、电位器非线性误差、电位器积分非线性偏差、满幅偏差、零阻值偏差、高输入电平、低输入电平、电源静态电流、电源工作电流、电源灵敏度等。
交流参数包括建立时间、最高工作速率、时钟信号的高持续时间、时钟信号的低持续时间、控制脚下降沿到时钟信号第一个上升沿的时间等重要指标，这些都是考核数字电位器性能的关键参数。
数字电位器一般有两种工作模式：电位器模式和模拟电阻器模式。
模拟电阻器模式时，电位器就类似于一个普通的两端电阻，利用电刷端的滑动实现不同的电阻值。
SPI接口——精选推荐
SPI接⼝串⾏外设接⼝(Serial Peripheral Interface)是⼀种同步外设接⼝，它可以使单⽚机与各种外围设备以串⾏⽅式进⾏通信以交换信息。
SPI最早是Motorola公司提出的全双⼯三线同步串⾏外围接⼝，采⽤主从模式(Master—Slave)架构，⽀持⼀个或多个Slave设备，由于其简单实⽤、性能优异，因此许多⼚家的设备都⽀持该接⼝，⼴泛应⽤于单⽚机和外设模块之间的连接。
SPI接⼝只需4条线：串⾏时钟线(SCK)、主机输⼊/从机输出数据线(MISO)、主机输出/从机输⼈数据线(MOSI)和低电平有效的从机选择线(SS)。
(1)MISO：主设备输⼊/从设备输出引脚。
该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
(2)MOSI：主设备输出/从设备输⼊引脚。
该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
(3)SCK：串⼝时钟，作为主设备的输出，从设备的输⼊。
(4)SS：从设备选择。
这是⼀个可选的引脚，⽤来选择主/从设备。
它的功能是⽤来作为⽚选引脚，让主设备可以单独地与特定从设备通信，避免数据线上的冲突。
SPI是⼀个环形总线结构，MOSI引脚相互连接，MISO引脚相互连接，数据在主和从之间串⾏地传输（MSB位在前），具体如下图所⽰。
SPI有主从两种⼯作模式，在主模式下，SPI为其他节点的CLK引脚提供串⾏时钟，数据从MOSI引脚输出，从MISO引脚输⼊。
在从模式下，数据从MISO引脚移出并由MOSI引脚移⼊，CLK引脚作为串⾏移位时钟的输⼊。
LPC824⽚内设计有SPI接⼝，具体的引脚取决于开关矩阵SWM的配置。
LPC824的SPI接⼝具有以下特点：•直接⽀持1⾄16位的数据发送。
软件⽀持更⼤的帧。
•主机和从机操作。
•⽆需读取输⼊数据即可将数据发送⾄从机，这在设置SPI存储器的时候很有⽤。
•控制信息还可与数据⼀同写⼊，这样便实现了极为丰富的操作，包括任意长度的帧。
•最多4个从机选择输⼊/输出，极性可选且使⽤灵活。
实验十一单片机之间SPI总线通信实验
实现了两台单片机之间的SPI总线通信，成功传输 了数据。 掌握了SPI总线的通信协议和基本原理。
回顾本次实验成果和不足之处
• 熟悉了单片机的编程和调试过程。
回顾本次实验成果和不足之处
不足
在实验过程中，出现了数据传输错误的情况，需要进 一步排查问题。
对SPI总线的通信速率和稳定性还需要进一步优化。
稳定性测试
通过示波器等工具测试硬件平台 的信号稳定性和噪声水平，确保 硬件平台正常工作。
编写并调试软件代码实现通信功能
软件代码编写
根据SPI总线通信协议和单片机编程 语言规范，编写实现SPI通信功能的 软件代码。
代码调试
通过单步调试、断点设置等方法，对 编写的代码进行逐步调试，确保代码 逻辑正确且能够实现预期的通信功能 。
SPI通信协议
SPI通信协议定义了四种通信模式，包括主模式、从模式、 CPOL和CPHA的不同组合，以满足不同器件之间的通信需 求。
SPI接口电路
SPI接口电路包括主控制器、从控制器、时钟信号线、数 据输入线、数据输出线和片选信号线等部分，用于实现主 从器件之间的数据传输。
单片机之间通信需求
01
02
03
数据传输需求
单片机之间需要进行数据 传输，以实现信息共享、 协同工作等功能。
实时性要求
单片机之间的通信需要满 足一定的实时性要求，以 确保数据传输的准确性和 及时性。
可靠性要求
单片机之间的通信需要具 备一定的可靠性，以避免 数据传输错误或丢失等问 题。
实验目标与意义
实验目标
通过搭建单片机之间的SPI总线通信实验平台，实现两个单片机之间的数据传 输，验证SPI总线通信的可行性和稳定性。
【CPLD+Verilog】CPLD实现SPI接口
CPLD 实现SPI 接口1 实现原理CPLD 实现SPI 接口模块,通过对寄存器的操作,实现SPI 接口功能,对外部SPI 设备进行访问。
CPLD 内部SPI 模块逻辑框图如下所示。
CLK_DIVRX_SHIFT_REGSTATUS LOGICspi_clkspi_cs spi_dospi_tx_data_we_pulsereset_n spi_tx_data spi_rx_data spi_clk_div spi_rx_data_rd_pulsespi_dispi_tx_data_we_busy spi_rx_data_rd_ready spi_data_tx_we_overflow spi_data_rx_rd_nop spi_data_rx_rd_overtime cpld_clkCONTROL LOGICCOUNT LOGIC通过对主时钟分频,得到的SPI 接口时钟,其分频值可通过spi_clk_div 值设定,最小为6分频,当设置分频值低于6分频时,默认6分频。
SPI 接口的片选信号spi_cs 在写数据传输寄存器spi_tx_data 时,通过自动产生写脉冲spi_tx_data_we_pulse ,逻辑综合生成。
spi_rx_data_rd_pulse 在读取接收数据spi_rx_data 的数据时自动产生。
spi_di 和spi_do 分别由数据移位寄存器通过数据移位产生和接收。
spi_clk 由内部分频时钟和传输状态逻辑综合输出,在有数据时输出,无数据时保持高电平。
状态逻辑spi_tx_data_we_busy 信号分别表示数据正在传输,无法写入spi_tx_data 寄存器; spi_rx_data_rd_ready 信号表示数据接收完成,可读取spi_rx_data 寄存器的值。
错误状态逻辑spi_data_tx_we_overflow 信号表示在spi_tx_data 寄存器中写入了待传输值后,还未传输就又写入新的传输数据,表示写数据溢出。
spi 及其接口设计
SPI 接口的设计第二章介绍了模数转换器的可编程控制架构，其中可编程控制功能的实现需要分成两部分：一部分为SPI 接口电路，以及其根据内部寄存器存储的数据产生的控制信号；另一部分是具体的电路受控模块。
本章将介绍接口与数字逻辑电路的设计，包括应用于本模数转换器的SPI 接口与数字逻辑电路的设计、综合以及仿真验证。
3.1 数据通信接口 3.1.1 串行通信基本的通信方式有两种：并行通信和串行通信。
并行通信是指数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。
串行通信指要传送的数据或信息按一定的格式编码，然后在单根线上，按位的先后顺序进行传送。
接收数据时，每次从单根线上按位接收信息，再把它们拼成一个字符，送给CPU （Central Processing Unit ）做进一步的处理。
收发双方必须保持字符同步，以使接收方能从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的一个一个字符。
串行通信只需要一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的一种通信方式，它具有通信线少以及传送距离远等优点。
串行通信时，按数据的传送的方向可以分为单工、半双工和全双工等三种方式。
（1）单工（Simplex ）：数据线仅能向一个方向传输数据，两个设备进行通信时，一边只能发送数据，另一边只能接收数据。
（2）半双工（Half Duplex ）：数据可在两个设备间向任一个方向传输，但因为只有一根传输线，故同一时间内只能向一个方向传输数据，不能同时收发。
（3）全双工（Full Duplex ）：对数据的两个传输方向采用不同的通路，可以同时发送和接收数据，串行通信有两种基本工作方式：异步方式和同步方式。
采用异步方式（Asynchronous ）时，数据发送的格式如图3-1所示。
不发送数据时，数据信号线呈现高电平，处于空闲状态。
当有数据要发送时，数据信号线变成低电平，并持续一位的时间，用于表示字符的开始，称为起始位。
起始位之后，在信号线上依次出现待发送的每一位字符数据，最低有效位0D 最先出现。
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SPI接口设计与实现
SPI(SerialPeripheralInterface)总线是一种同步串行外设接口,它
可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。
SPI总线应用广泛,已经成为很多器件的标准配置,可以直接和各个厂家生产的
多种标准外围器件直接接口。
其它常用的串行接口还有I2C、UART这
两种接口,这三种接口互有优缺点。
与I2C接口相比,SPI接口速度更快、协议更简单、并且是全双工的,但连线也相对多一些。
与UART接口相比,SPI更灵活,因为其使用主设备的时钟进行同步,所以两个比特之间
的时间间隔可以是任意的。
在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻
址操作,且为全双工通信,显得简单高效。
1SPI总线工作原理
SPI总线一般以主/从模式工作,通常有一个主设备和一个或多个从设备,数据传输由主机控制,典型SPI结构框图如图1所示。
SPI总线包含四条信号线,分别是sclk、miso、mosi和cs,其中,sclk为数据传输时钟,由主机产生;miso是从机输出,主机输入数据线;mosi是主机输出,
从机输入数据线;cs是从设备片选信号,由主机控制,当连接多个从设备时,通过该信号选择不同的从设备。
SPI总线是按字节发送数据的,主机和从机内部都包含一个8位串行移位寄存器,在时钟信号控制下,寄存
器内的数据由高到低输出至各自的数据线,8个时钟后,两个寄存器内的数据就被交换了。
如果只进行写操作,主机只需忽略接收到的字节;反之,若主机要读取从机的一个字节,就必须发送一个空字节来引发从机
的传输。
当主机发送一个连续的数据流时,可以进行多字节传输,在这
种传输方式下,从机的片选端必须在整个传输过程中保持低电平。
根据串行同步时钟极性和相位不同,SPI有四种工作方式。
时钟极性(CPOL)为0时,同步时钟的空闲状态为低电平,为1时,同步时钟的空闲
状态为高电平。
时钟相位(CPHA)为0时,在同步时钟的第一个跳变沿采
样数据,为1时,在同步时钟的第二个跳变沿采样数据。
因为主设备时
钟极性和相位都是以从设备为基准的,所以主设备时钟极性的配置和从设备时钟极性的配置是相反的。
SPI工作原理：以寄存器CPOL=1、CPHA=0为例,当要传输数据时,主机控制cs信号有效,sclk管脚输出时钟信号,在时钟上升沿,主机将需要发送的数据锁存在mosi线上,同时从miso线上读取从机发送的数据;在时钟下降沿,从机将需要发送的数据锁存在miso线上,同时从mosi 线上读取主机发送的数据,完成一次数据交换后,SPI总线重新回到空闲状态,等待下一次通信的发起。
2SPI总线硬件设计和软件实现
某项目的控制器硬件采用ARM+CPLD的技术方案,其中ARM为主控器,主要实现流程控制等,CPLD为从控制器。
ARM与CPLD之间主要通过SPI 接口进行通信,CPLD根据ARM发送的命令产生各模块的控制逻辑,完成一百多路IO控制,并且实现从一路UART接口到20路半双工RS485接口的收发切换。
ARM与CPLD之间的硬件接口如图2所示。
特别的,在ARM和CPLD之间设计了一个中断信号,用来提示SPI主机ARM,SPI从机CPLD有数据需要读取,请求发起SPI通信。
当CPLD作为SPI接口从机使用时,需要在CPLD中实现sclk下降沿检测、SPI控制模块。
2.1sclk下降沿检测因为ARM在sclk的上升沿读取CPLD输出的数据,所以CPLD必须在sclk的下降沿发数,上升沿时数据稳定。
同时为了在一个sclk时钟周期只接收或发送一个比特的数据,需要使该信号仅保持一个clk周期,该信号的产生方式如图3所示。
在clk信号驱动下,当该下降沿检测信号有效时(定为高电平有效),CPLD采集miso线上的数据,并将需要发送的数据输出至mosi。
2.2SPI控制模块如图4为从机软件设计流程图。
CPLD在系统上电后进入idle状态,idle表示空闲状态,当CPLD有数据需要传输时,通过int向ARM发送中断信号;当检测到cs信号有效时,进入spi数据传输状态;同步sclk信号,在下降沿,首先发送数据信息字节,通过数据信息字节通知ARM这次总共需要发送几个字节的数据,然后依次发送后续数
据,直到数据传输完成。
在上升沿,接收ARM发送的数据,并按字节存入RAM。
3SPI接口软件的设计仿真
对该项目SPI控制程序进行了仿真,其仿真波形如图5所示。
这个SPI 接口每次只有8bit,8bit代表地址还是数据由用户自己的协议来定,每启动一次接口模块,无论是主设备还是从设备都会写出一个数据和接收一个数据。
接收数据流程是：当cs下降沿到来时启动SPI接收控制模块,每个sclk下降沿读取1bit数据,ovalid有效时(高)读取odata数据(8bit)。
发送流程是：先确定从设备要写出的数据,再给主设备中断信号,主设备响应中断,启动一个读取流程,就可以读取从设备的一个
8bit数据。
4结语
SPI接口设计与实现。