第10章 SPI串行总线
SPI总线组成及其工作原理
SPI总线组成及其工作原理SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信总线，常用于连接微控制器与外部设备，如传感器、存储器、外设等。
SPI总线由四条信号线组成，包括SCLK（串行时钟线），MOSI（主设备输出从设备输入线），MISO（主设备输入从设备输出线）和SS（片选信号线）。
以下将详细介绍SPI总线的工作原理和其组成部分。
SPI总线采用主从架构，由一个主设备（如微控制器）和一个或多个从设备（如传感器、存储器等）组成。
主设备通过SCLK产生时钟信号来驱动整个通信过程。
主设备通过MOSI线发送数据到从设备，从设备通过MISO线传输数据给主设备。
每个从设备都有一个片选信号线（SS），用于使能该从设备。
当主设备需要与一些从设备通信时，将对应的片选信号线拉低，使该从设备处于选中状态。
1.SCLK（串行时钟线）：SCLK是SPI通信中的时钟信号，由主设备通过该线产生并驱动。
SCLK信号的频率可以由主设备控制，通常可以在MHz级别。
SCLK的上升沿和下降沿都用于同步数据传输。
数据在SCLK的上升沿或下降沿的边沿进行读写操作。
2.MOSI（主设备输出从设备输入线）：MOSI是主设备输出从设备输入的数据线。
主设备通过MOSI将数据传输给从设备。
数据在每个SCLK周期的上升沿或下降沿被写入。
3.MISO（主设备输入从设备输出线）：MISO是主设备输入从设备输出的数据线。
从设备通过MISO将数据传输给主设备。
数据在每个SCLK周期的上升沿或下降沿被读取。
4.SS（片选信号线）：每个从设备都有一个对应的SS信号线。
当主设备需要与一些从设备通信时，将该从设备的SS信号线拉低，使该从设备处于选中状态。
当通信结束后，SS信号线会被拉高，表示该从设备不再被选中。
1.主设备通过控制SS信号线，选中一些从设备开始通信。
2.主设备通过SCLK产生时钟信号，并通过MOSI线发送数据给从设备。
3.从设备在SCLK的上升沿或下降沿将数据写入MISO线，传输给主设备。
SPI总线的特点、工作方式及常见错误解答
SPI总线的特点、工作方式及常见错误解答1. SPI总线简介SPI（serial peripheral interface，串行外围设备接口）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。
它用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。
它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（CSK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOS I）、低电平有效从机选择线CS。
当SPI工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。
发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。
即完成一个字节数据传输的实质是两个器件寄存器内容的交换。
主SPI的时钟信号（SCK）使传输同步。
其典型系统框图如下图所示。
图1 典型系统框图2.SPI总线的主要特点· 全双工；· 可以当作主机或从机工作；· 提供频率可编程时钟；· 发送结束中断标志；式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式（实线表示）：· 写冲突保护；.总线竞争保护等。
3.SPI总线工作方式SPI总线有四种工作方图2 SPI0和SPI3方式（实线表示）四种工作方式时序分别为：图3 四种工作方式时序时序详解：CPOL：时钟极性选择，为0时SPI总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平CPHA：时钟相位选择，为0时在SCK第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样工作方式1：当CPHA=0、CPOL=0时SPI总线工作在方式1。
MISO引脚上的数据在第一个SPSCK沿跳变之前已经上线了，而为了保证正确传输，MOSI引脚的MSB位必须与SPSCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，首先将数据上线，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（下降沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。
SPI串行总线
例7-9图7-49是MAX549与51系列单片机接口的一个实际应用的例子。
以下子程序运行后后可以在DA输出端检测到电压信号。
程序如下：
#include <reg52.h>
#include <stdio.h>
#define uchar unsigned char
spiss=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
clk();//输入脉冲
data_in=(data_in<<1)|spiso;
//读取数据
}
spiss=1;
return data_in;
}
2)
将单片机中的datao的内容发送给SPI接口芯片。
void spi_data_out（uchar data_out）
例7-10图7-52是TLC0832与51系列单片机接口的一个实际应用的例子。试编写编写程序，实现AD转换，并将AD转换的结果返回。
程序如下：
#include <reg52.h>
#include <stdio.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
下面介绍用C51模拟SPI串行输入、串行输出和串行输入/输出子程序。
1)
从SPI总线芯片的SPISO线上接收1字节数据返回。
sbit ss=P1^2;// sbit是位变量，定义eeprom的SPI总线
sbit spisi=P1^0;
sbit spiso=P1^3;
sbit spick=P1^1;
SPII2CUART三种串行总线的原理区别及应用
SPII2CUART三种串行总线的原理区别及应用SPI（Serial Peripheral Interface），I2C（Inter-Integrated Circuit）和UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是常见的串行总线通信协议，它们在嵌入式系统中被广泛使用。
以下是对这三种串行总线的原理、区别及应用的详细介绍。
1. SPI（Serial Peripheral Interface）SPI是一种同步的、全双工的串行总线协议，通常由一个主设备和一个或多个从设备组成。
SPI总线上通信是基于时钟信号进行同步的，主设备产生时钟信号，从设备在时钟的边沿上发送和接收数据。
在SPI总线上，主设备控制通信的起始和结束，并通过片选信号选择与之通信的从设备。
SPI总线上的数据传输是基于多线制的，其中包括主设备的时钟线（SCLK）、数据输出线（MOSI）、数据输入线（MISO）和片选线（SS）。
SPI总线具有以下特点：-速度较快，可以达到十几MHz甚至上百MHz的传输速率。
-支持多主设备，但每个时刻只能有一个主设备处于活动状态。
-适用于短距离通信，通常在PCB上的芯片之间进行通信。
-数据传输可靠性较高。
SPI总线广泛应用于各种设备之间的数据传输，例如存储器、传感器、显示模块等。
2. I2C（Inter-Integrated Circuit）I2C也是一种同步的、双向的串行总线协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成。
I2C总线上的通信也是基于时钟信号进行同步的，主设备产生时钟信号和开始/停止条件，从设备在时钟边沿上发送和接收数据。
I2C总线上的数据传输是基于两根线—串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。
I2C总线具有以下特点：- 通信速度较慢，大多数设备的传输速率为100kbps，但也支持高达3.4Mbps的快速模式。
-支持多主设备，可以同时连接多个主设备。
(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1 51单片机综合学习系统主机部分图片图2 51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 ( Serial Peripheral Interface ———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）。
SPII2CUART三种串行总线协议及其区别
SPII2CUART三种串行总线协议及其区别SPI（Serial Peripheral Interface）是一种常见的串行总线协议，主要用于单片机和外部设备之间的通信。
SPI协议需要同时使用多个信号线，包括时钟信号、主从选择信号、数据输入信号和数据输出信号。
SPI协议是一种全双工的通信方式，数据可以双向传输。
SPI通信协议的特点包括以下几点：1.时钟信号：SPI协议中的设备之间使用了共享的时钟信号，时钟信号用于同步数据传输。
时钟信号由主设备控制，并且时钟频率可以根据需要调整。
SPI协议没有固定的时钟频率限制，可以根据实际需求进行调整。
2.主从选择信号：SPI协议中的从设备需要通过主从选择信号进行选择。
主设备通过拉低从设备的主从选择信号来选择与之通信的从设备。
可同时与多个从设备通信。
3.数据传输：SPI协议是一种由主设备控制的同步通信协议，数据在时钟的边沿上升移位。
主设备在时钟的上升沿将数据发送给从设备，从设备在时钟的下降沿将数据发送给主设备。
SPI协议的优势在于速度快、可靠性高，适合于需要高速传输的应用，如存储器、显示器驱动等。
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种常见的串行总线协议，主要用于集成电路之间的通信。
I2C协议仅需要两根信号线：序列时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）。
I2C协议是一种半双工通信方式，数据只能单向传输。
I2C通信协议的特点包括以下几点：1.序列时钟线（SCL）：SCL是在主设备和从设备之间共享的信号线，用于同步数据传输。
主设备通过拉高和拉低SCL来控制数据传输的时钟频率。
2.串行数据线（SDA）：SDA负责数据的传输。
数据在SCL的上升沿或下降沿变化时，主设备或从设备将数据写入或读取出来。
3.地址寻址：I2C协议使用7位或10位的地址寻址，从设备可以根据地址进行选择。
I2C协议的优势在于可以连接多个设备，节省了引脚，适用于多设备之间的通信，如传感器、温度传感器、压力传感器等。
SPI总线介绍PPT课件
写保护寄存器
命令字
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
8EH或8FH
WP 0 0 0 ,0 0 0 0
17
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RAM单元 0单元 1单元 2单元
3 4 ........ 31单元
命令字 C0H或C1H C2H或C3H C4H或C5H C6H或C7H. C8H或C9H. .............. FCH或FDH
寻址： MOSI：When master, out line; when slave, in line MISO：When master, in line; when slave, out line
3
第3页/共30页
SPI从机的内部结构
SPI接口实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产 生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。 上升沿发送，下降沿接收。（有的器件是上升沿接收，下降沿发送）
•
MOV A,#00H
•
MOV @R0,A
•
SETB SCLK
•
NOP
• LOOP2: CLR SCLK;下降沿输出
•
MOV A,@R0
•
MOV C,I/O
•
RRC A
•
MOV @R0,A
•
SETB SCLK
•
DJNE R1,LOOP2
•
24
RET
第24页/共30页
多字节读模式
将时钟日历寄存器的秒、分、时、日、星期、月、年以及写保护寄存器的内容分别存入单片机的6FH～ 68H单元
1
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SPI从机的内部结构 • SPI从机从主机获得时钟和片选信号，因此cs和sclk都
spi总线工作原理
spi总线工作原理
SPI（Serial Peripheral Interface）总线是一种同步串行通信协议，它主要用于在微控制器或其他数字集成电路之间传输数据。
SPI总线由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成。
主设备通过与从设备之间发送和接收数据的方式来与其进行通信。
SPI总线的工作原理如下：
1. 首先，主设备选择要与之通信的从设备。
这是通过在片选引脚上拉低电平来实现的。
其他从设备的片选引脚应保持高电平。
2. 接着，主设备通过时钟引脚（SCK）生成时钟信号，此时数据传输开始。
3. 主设备通过主输出(MOSI)引脚发送数据，从设备通过主输
入(MISO)引脚接收数据。
在每个时钟周期中，主设备和从设
备在SCK上的上升沿或下降沿进行数据交换。
4. 数据传输时，主设备先发送一个起始位（通常是高电平）并将其传输到从设备。
5. 接下来，主设备和从设备同时发送并接收数据，每一个时钟周期传输一个位。
数据传输的顺序是从最高位（MSB）到最
低位（LSB）。
6. 当所有数据位都传输完毕后，主设备通过拉高片选引脚结束
与从设备的通信。
7. 在通信结束后，主设备可以选择与其他从设备进行通信，或者在下一个时钟周期中重新选择与之前的从设备进行通信。
SPI总线的工作原理简单而直观。
它具有高速、可简化电路设计等优点，因此在很多嵌入式系统中得到了广泛应用。
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小结
根据SPI总线的特点可知：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；在多个从设备的系统中 ，每个从机需要独立的使能信号，硬件 上比I2C系统要稍微复杂一些，可连接的 n 从机最大数量为2 个(n为单片机一端用于 片选使能的引脚数)。 SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制 ，没有应答机制确认是否接收到数据。
读时序
1) 将CS拉低； 2) 通过SI传送8位指令到25xx的指令寄存器（读指令：00000011） 3) 紧接着马上传送16位地址。 4) 通过DO引脚读取内容，该8位内容就是刚才发送的地址对应的单元的内容。 5) 如果CS不拉高，持续提供CLK时钟，则内部地址指针将增加1，指向下一 个数据单元，可以继续读取下一个单元的内容。如果一直这样往下读，这样 的读取将会持续，当达到最大的存储单元地址7FFFH时，地址指针重新指回 0000H，如此往复以至无穷的循环往下读。 6) 当CS拉为高电平后，读取操作终止，而且这个终止可以在任何时段。
典型代码：写(发送)一个字节
/*上升沿锁存数据，先发高位，再发低位*/ void SPI_MOSI_Byte(uchar wdata){ uchar i; SCK=0; //时钟预置为低 for(i=0; i<8; i++){ if(wdata&0x80) MOSI = 1; else MOSI = 0; SCK=1; //产生一个上升沿，在其前准备好待发数据 wdata = wdata<<1; SCK=0; } }
典型代码：读出连续个字节
/*读出的字节存放数组d[ ]中，从目标器件的地址Addr开始读，字节 个数为Len*/ void RdFrmRom(uchar d[ ], uint Addr, uchar Len){ uchar i; uchar addr_H, addr_L; addr_H = Addr>>8; addr_L = Addr&0x00FF; RST=0; SPI_MOSI_Byte(0x03); //读操作指令 SPI_MOSI_Byte(addr_H); //16位地址高 SPI_MOSI_Byte(addr_L); //16位地址低 for(i=0; i<Len; i++) rdata[i] = SPI_MISO_Byte( ); RST=1; }
00000100 (0x04) 00000110 (0x06) 00000101 (0x05) 00000001 (0x01)
“读”数据指令 “写”数据指令
禁止“写”操作 使能“写”操作 读状态寄存器 写状态寄存器
总线读写时序
（1）在CLK上升沿SI采样数据。对于CPU写入25xx来说， 应该在CLK时钟的上升沿之前准备好待写数据，CLK上 升沿产生后，25xx将对SI端线采样。 （2）在CLK下降沿SO输出数据。在读取数据周期内，在 CLK时钟的下降沿将数据送出到SO引脚锁存。对于CPU 从25xx读数据，应该在CLK时钟下降沿产生之后马上读 取SO端口数据。 （3）串行数据发送顺序：先发送高字节，再发送低字节。 （4）在对25xx的访问过程中CS必须保持低电平。HOLD保 持高电平。如果不用存取等待，在设计电路时把HOLD 引脚接高电平。 （5）当CS引脚由高电平变为低电平之后的第一个上升沿结 束后，25xx就会马上对SI引脚采样。先发送的第一帧都 是指令码。
25AA系列芯片引脚说明
VSS：电源地 VCC：正电源（可操作电压1.8V-5.5V） CS： 片选输入，低电平有效。（四线SPI通信的RST引脚） SI： 串行输入数据引脚。（四线SPI通信的MISO引脚） SO：串行输出数据引脚。（四线SPI通信的MOSI引脚） WP： 写保护，低电平时不可存取，平时不保护数据需要接到高电平 SCK：串行时钟引脚。四线SPI的时钟线，一般来说25AA系列器件属于SPI 从设备，该时钟由主设备提供，因此这里SCK为输入信号 HOLD：操作暂停保持信号。低电平时暂停当前的存取，但没有停止，当恢 复为高电平后继续当前操作，在暂停保持阶段输入的数据将被忽略
脉冲序号 主机缓存 从机缓存 0 1上升沿 1下降沿 2上升沿 2下降沿 3上升沿 3下降沿 4上升沿 4下降沿 5上升沿 5下降沿 6上升沿 6下降沿 7上升沿 7下降沿 8上升沿 8下降沿 10101010 01010101 0101010x 1010101x 01010100 10101011 1010100x 0101011x 10101001 01010110 0101001x 1010110x 01010010 10101101 1010010x 0101101x 10100101 01011010 0100101x 1011010x 01001010 10110101 1001010x 0110101x 10010101 01101010 0010101x 1101010x 00101010 11010101 0101010x 1010101x 01010101 10101010 MI 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 MO 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
写时序
在任何对25xx器件“写”操作之前，都必须先设置“写操作”使 能寄存器，只有当写操作寄存器设置为“可写”时，才能对器件进行 数据写入。使能“写操作”的指令为00000110(0x06)
第10章 SPI串行总线
概述 传输时序 SPI总线的应用
10.1 概述
SPI(Serial Peripheral Interface, 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。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、全双工、同 步的通信总线，在芯片的管脚上升沿占用四根线。其工作
模式为主/从模式，主设备与从设备间采用同步通信的方式
来完成数据交换。SPI总线接口占用的端口较少，一般来 说要求主设备要有SPI控制器（也可用软件模拟的方式实 现），就可以与基于SPI的芯片通信。
10.1 概述
SPI总线的基本信号线为3根传输线，即SI、SO、SCK。传输的 速率由时钟信号SCK决定，SI为数据输入、SO为数据输出。采用 SPI总线的系统如下图所示，它包含了一个主片和多个从片，主片
采用SPI总线的器件
25AA系列芯片有一个8位的指令寄存器，通过SPI总 线访问，CPU通过向指令寄存器写不同的指令，告知25 芯片将要进行的操作。如下表：
指令名称 指令码 描述
READ WRITE
WRDI WREN RDSR WRSR
00000011 (0x03) 00000010 (0x02)
不带SPI接口的单片机编程方法
对于不带SPI接口的MCS51系列单片机来说，可用软件模拟 SPI操作，用三个普通I/O口模拟SPI器件的SCK、MISO、 MOSI。对于不同的外围芯片，它们的时钟时序是不同的。 对于在SCK的上升沿接收数据/下降沿发送数据的从机器件 ，一般应将MCU的串行时钟输出口SCK的初始状态设为1，而 在从机使能端有效(CS=0)后再置为0。这样，MCU在输出1位 SCK时钟(出现的是下降沿)的同时，将使从机SPI接口的移位 寄存器串行左移，从而输出1位数据至MISO线。此后再置 SCK为1，使MCU从MOSI线输出1位数据（最高位）至从机 的SPI接口的移位寄存器。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…… 循环8次，即可完成1字节数据的传输。 对于在SCK的下降沿接收数据/上升沿发送数据的从机器件 ，则应取SCK的初始状态为0，即在从机使能端有效(CS=0)后 ，先置SCK为1，以便从机输出1位数据（MCU接收1位数据） ，之后再置时钟为0，使从机接收1位数据（MCU发送1位数据 ），从而完成1位数据传送。
SPI总线接口器 (SPI RXB)
串行接收缓冲器 (SPI RXB)
MI SO
8-bit Shift Register
串行发送缓冲器 (SPI TXB) SPI缓冲器 (SPI BUF)
8-bit Shift Register 串行发送缓冲器 (SPI TXB) SPI缓冲器 (SPI BUF)
SCK
SCK
CS
Master
CS
Slave
10.2 SPI总线的数据传输
SPI是一个环形总线结构，其时序是在SCK的控制下， 两个双向移位寄存器进行数据交换。SCK提供时钟脉 冲，SDI、SDO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 的下沿或上升沿沿被读取，完成一位数据传输。输入 原理相同。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和 下沿计为1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上升沿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。
时钟脉冲与数据变化的关系
假设主机和从机初始化就 绪，并且主机的sbuff=0xaa， 从机的sbuff=0x55，下面是SPI 的8个时钟周期里的数据的变化 情况:（下表中“上升沿”表示 上升沿，“下”表示下降沿） SDI、SDO是相对于主机 而言的。一个完整的传送周期 是16位(2字节)，主机首先发送 命令，然后从机根据主机的命 令进行准备，主机在下一个8位 时钟周期写出或读入数据。
典型代码：读(接收)一个字节
/*下降沿读取数据，先读高位，再读低位*/ uchar SPI_MISO_Byte( ){ uchar i, rdata=0; SCK=1; //时钟预置为高 for(i=0; i<8; i++){ rdata = rdata<<1; SCK=0; //产生一个下降沿，数据将被锁存在SO端线上 rdata = rdata | MISO; NOP4( ); SCK=1; } return rdata; }