RA芯片的SPI分為簡(jiǎn)單SPI和普通SPI，簡(jiǎn)單SPI就是SCI模塊（Serial Communications Interface）中的SPI模式，它是使用串行總線(xiàn)來(lái)模擬SPI，而我們本章我們所要學(xué)習(xí)的是普通的SPI，是全功能的SPI，它在RA芯片內(nèi)部實(shí)際存在的一個(gè)硬件SPI控制器模塊。

22.1

SPI協(xié)議簡(jiǎn)介

SPI協(xié)議是由摩托羅拉公司提出的通訊協(xié)議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設(shè)備接口，是一種高速全雙工的通信總線(xiàn)。它被廣泛地使用在ADC、LCD等設(shè)備與MCU間，要求通訊速率較高的場(chǎng)合。

在瑞薩RA6M5芯片中，SPI外設(shè)可用作通訊的主機(jī)及從機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)到最大的50Mbps速率，信號(hào)允許通過(guò)SPI操作（4線(xiàn)方法）或時(shí)鐘同步操作（3-線(xiàn)方法），支持事件鏈接功能，并具有數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能。

下面我們分別對(duì)SPI協(xié)議的物理層及協(xié)議層進(jìn)行講解。

22.1.1

SPI物理層

SPI通訊設(shè)備之間的常用連接方式見(jiàn)下圖。

SPI通訊使用3條總線(xiàn)及片選線(xiàn)，3條總線(xiàn)分別為SCK、MOSI、MISO，片選線(xiàn)，它們的作用介紹如下：

（1）從設(shè)備選擇信號(hào)線(xiàn)（SlaveSelect）：常稱(chēng)為片選信號(hào)線(xiàn)，也稱(chēng)為NSS、CS，以下用NSS表示。當(dāng)有多個(gè)SPI從設(shè)備與SPI主機(jī)相連時(shí)，設(shè)備的其它信號(hào)線(xiàn)SCK、MOSI及MISO同時(shí)并聯(lián)到相同的SPI總線(xiàn)上，當(dāng)主機(jī)要選擇從設(shè)備時(shí)，把該從設(shè)備的NSS信號(hào)線(xiàn)設(shè)置為低電平，該從設(shè)備即被選中，即片選有效，接著主機(jī)開(kāi)始與被選中的從設(shè)備進(jìn)行SPI通訊。所以SPI通訊以NSS線(xiàn)置低電平為開(kāi)始信號(hào)，以NSS線(xiàn)被拉高作為結(jié)束信號(hào)。

（2）SCK（Serial Clock）：時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)，用于通訊數(shù)據(jù)同步。它由通訊主機(jī)產(chǎn)生，決定了通訊的速率，不同的設(shè)備支持的最高時(shí)鐘頻率不一樣，如RA6M5的SPI時(shí)鐘頻率最大為fpclkA/2，兩個(gè)設(shè)備之間通訊時(shí)，通訊速率受限于低速設(shè)備。

（3）MOSI（Master Output，Slave Input）：主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。主機(jī)的數(shù)據(jù)從這條信號(hào)線(xiàn)輸出，從機(jī)由這條信號(hào)線(xiàn)讀入主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，即這條線(xiàn)上數(shù)據(jù)的方向?yàn)橹鳈C(jī)到從機(jī)。

（4）MISO（Master Input,，Slave Output）：主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。主機(jī)從這條信線(xiàn)讀入數(shù)據(jù)，從機(jī)的數(shù)據(jù)由這條信號(hào)線(xiàn)輸出到主機(jī)，即在這條線(xiàn)上數(shù)據(jù)的方向?yàn)閺臋C(jī)到主機(jī)。

22.1.2

協(xié)議層

22.1.2.1

SPI基本通訊過(guò)程

SPI通訊的通訊時(shí)序，見(jiàn)下圖：

圖22?18 EEPROM數(shù)據(jù)讀取時(shí)序

這是一個(gè)主機(jī)的通訊時(shí)序。NSS、SCK、MOSI信號(hào)都由主機(jī)控制產(chǎn)生，而MISO的信號(hào)由從機(jī)產(chǎn)生，主機(jī)通過(guò)該信號(hào)線(xiàn)讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)。MOSI與MISO的信號(hào)只在NSS為低電平的時(shí)候才有效，在SCK的每個(gè)時(shí)鐘周期MOSI和MISO傳輸一位數(shù)據(jù)。

以上通訊流程中包含的各個(gè)信號(hào)分解如下：

22.1.2.2

通訊的起始和停止信號(hào)

在上圖SPI通訊時(shí)序中的標(biāo)號(hào)1處，NSS信號(hào)線(xiàn)由高變低，是SPI通訊的起始信號(hào)。NSS是每個(gè)從機(jī)各自獨(dú)占的信號(hào)線(xiàn)，當(dāng)從機(jī)在自己的NSS線(xiàn)檢測(cè)到起始信號(hào)后，就知道自己被主機(jī)選中了，開(kāi)始準(zhǔn)備與主機(jī)通訊。在標(biāo)號(hào)6處，NSS信號(hào)由低變高，是SPI通訊的停止信號(hào)，表示本次通訊結(jié)束，從機(jī)的選中狀態(tài)被取消。

22.1.2.3

數(shù)據(jù)有效性

SPI使用MOSI及MISO信號(hào)線(xiàn)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，使用SCK信號(hào)線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。MOSI及MISO數(shù)據(jù)線(xiàn)在SCK的每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)輸入輸出是同時(shí)進(jìn)行的。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MSB先行或LSB先行并沒(méi)有作硬性規(guī)定，但要保證兩個(gè)SPI通訊設(shè)備之間使用同樣的協(xié)定，一般都會(huì)采用圖SPI通訊時(shí)序中的MSB先行模式。

觀(guān)察圖中的標(biāo)號(hào)處，MOSI及MISO的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿期間變化輸出，在SCK的下降沿時(shí)被采樣。即在SCK的下降沿時(shí)刻，MOSI及MISO的數(shù)據(jù)有效，高電平時(shí)表示數(shù)據(jù)“1”，為低電平時(shí)表示數(shù)據(jù)“0”。在其它時(shí)刻，數(shù)據(jù)無(wú)效，MOSI及MISO為下一次表示數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

SPI每次數(shù)據(jù)傳輸可以8位或16位為單位，每次傳輸?shù)膯挝粩?shù)不受限制。

22.1.2.4

CPOL/CPHA及通訊模式

SPI一共有四種通訊模式，它們的主要區(qū)別是總線(xiàn)空閑時(shí)SCK的時(shí)鐘狀態(tài)以及數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻，它們由CPOL與CPHA來(lái)決定。

時(shí)鐘極性CPOL是指SPI通訊設(shè)備處于空閑狀態(tài)時(shí)，SCK信號(hào)線(xiàn)的電平信號(hào)（即SPI通訊開(kāi)始前、NSS線(xiàn)為高電平時(shí)SCK的狀態(tài)）。CPOL=0時(shí)，SCK在空閑狀態(tài)時(shí)為低電平，CPOL=1時(shí)，則相反。

時(shí)鐘相位CPHA是指數(shù)據(jù)的采樣的時(shí)刻，當(dāng)CPHA=0時(shí)，MOSI或MISO數(shù)據(jù)線(xiàn)上的信號(hào)將會(huì)在SCK時(shí)鐘線(xiàn)的“奇數(shù)邊沿”被采樣。當(dāng)CPHA=1時(shí)，數(shù)據(jù)線(xiàn)在SCK的“偶數(shù)邊沿”采樣。

見(jiàn)下圖CPHA=0時(shí)的SPI通訊模式：

我們來(lái)分析這個(gè)CPHA=0的時(shí)序圖。首先，根據(jù)SCK在空閑狀態(tài)時(shí)的電平，分為兩種情況。SCK信號(hào)線(xiàn)在空閑狀態(tài)為低電平時(shí)，CPOL=0；空閑狀態(tài)為高電平時(shí)，CPOL=1。

無(wú)論CPOL=0還是=1，因?yàn)槲覀兣渲玫臅r(shí)鐘相位CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時(shí)刻都是在SCK的奇數(shù)邊沿。注意當(dāng)CPOL=0的時(shí)候，時(shí)鐘的奇數(shù)邊沿是上升沿，而CPOL=1的時(shí)候，時(shí)鐘的奇數(shù)邊沿是下降沿。所以SPI的采樣時(shí)刻不是由上升/下降沿決定的。MOSI和MISO數(shù)據(jù)線(xiàn)的有效信號(hào)在SCK的奇數(shù)邊沿保持不變，數(shù)據(jù)信號(hào)將在SCK奇數(shù)邊沿時(shí)被采樣，在非采樣時(shí)刻，MOSI和MISO的有效信號(hào)才發(fā)生切換。

類(lèi)似地，當(dāng)CPHA=1時(shí)，不受CPOL的影響，數(shù)據(jù)信號(hào)在SCK的偶數(shù)邊沿被采樣，見(jiàn)下圖CPHA=1時(shí)的SPI通訊模式：

由CPOL及CPHA的不同狀態(tài)，SPI分成了四種模式，見(jiàn)下表：

SPI的四種模式

SPI的四種模式

主機(jī)與從機(jī)需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，上圖SPI通訊時(shí)序就是采用的模式1，而我們本次OLED的SPI通訊實(shí)驗(yàn)就是采用的是模式3。