51入門系列教程| 協議協議(SPI篇)

上一貼中咱簡單聊了一下通信協議,特別介紹了一下IIC。這貼咱來聊聊SPI，SPI(Serial Peripheral Interface，串列外設介面)，來源於Motorola。最早在其MC86HC系列的處理器上定義使用，和IIC一樣，也是系出名門。不過這貨從協議層面上比IIC簡單多了。飛利浦對IIC的協議和硬體介面做出了嚴格的要求，制定出完善的標準。而摩托羅拉對SPI則沒有做出這麼多的約束，似乎一下子就把這種介面開源出去了。所以現在流行的SPI介面，有很多類變種，有的甚至無比奇葩，下面簡單來聊聊:

先說說硬體結構，看這個圖

標準的SPI匯流排介面一般會有4根通信線路，一條匯流排上，也可以掛多個SPI從設備

(1)MOSI(master out slave in)

主器件輸出從器件輸入，簡單點理解就是主設備向從設備發送數據，也有些器件稱之為SDO，就是輸出的意思。

(2)MISO(master in slave out)

主器件輸入從器件輸出，也就是主設備讀取從設備的數據，另外一種稱法是SDI，也就是輸入的意思。

(3)SCLK

和IIC一樣，無論是主器件還是從器件，所有數據的傳輸都是以這條線路上的時鐘為參照，所以SPI和IIC都是屬於同步串列介面。SCK、CLK亂七八糟的叫法也不少，不過還算比較好辨認。

(4)/SSx

IIC可以通過定址來找到匯流排上的特定器件，SPI則是用這根線來使能需要操作的設備。設備多的話，也可能會使用多個IO或者數據選擇器、解碼器之類。有些器件標記為/CS之類，其實就是一個器件使能端,這4個埠是一個標準SPI的介面。可以看出來，站在主器件的立場，數據的發送和接收是兩條不同的線路。和同一時刻只能單向通行的IIC介面相比，SPI的速度能夠提升不少。以上是標準SPI物理介面的基本情況，但是現在很多器件都是標準SPI的變種。變種一、三線SPI，譬如大名鼎鼎的時鐘晶元DS1302

只用到了SCLK、IO和/RST三個埠，其實就是省略了標準介面中只能夠單向傳輸的MISO和MOSI。直接做成了能夠雙向傳輸的I/O，其實細細看DS1302的時序。和SPI一樣一樣的，變種二、奇葩三線SPI、五線SPI。還有很多記不起來的晶元和一些LCD屏幕，譬如一些小尺寸LCD，只需要寫數據，就可能會用到/SS、SCLK、MOSI；譬如一些多受控管腳的IC，除了/SS、SCLK、MOSI、MISO外。可能還會添加DCx管腳用於受控指令的傳輸，這裡百家爭鳴，朵朵奇葩，啥都有。變種三、Quad SPI，這個是非常有針對性的變種。就是為了數據傳輸的速度，其實Quad SPI就是標準SPI硬體介面，只不過把數據發送模式分成了多種模式。

這些模式中，可以將原本只能夠單向傳輸的MOSI和MISO都調整成雙向傳輸，就能達到數據傳輸速度加倍的效果。甚至把某些控制管腳也用於數據傳輸，那速度就是杠杠滴了。譬如一些Quad SPI Nor Flash之類的晶元，無論哪種SPI，其實它們的基本結構都是類似的。主從設備內部都是一個移位寄存器，連接起來構成一個環形的拓撲。

再來看看通信的協議，需要發送/接收的數據，都在每個SCLK的邊沿進行傳輸。傳輸的數據為8位，按位傳輸，高位在前，低位在後，在主器件產生的從器件使能信號作用下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。假設主機的buff=0xaa，從機的buff=0x55，上升沿發送、下降沿接收、高位先發送。每個時鐘的上升沿移動數據

是不是很簡單呀？通信時序很簡單。但是moto對時鐘SCLK做了一些比較有意思的約束，通過CPOL,CPHA對SCLK的限定，實現SPI的四種不同模式。CPOL(Clock Polarity，時鐘極性)，用來設置時鐘的空閑狀態：

為1時，時鐘空閑時為高電平

為0時，時鐘空閑時為低電平

CPHA(Clock Phase，時鐘相位)，用來配置數據傳輸的時鐘邊沿

為0時，在時鐘周期的第一邊沿傳輸數據(或者理解為前一邊沿)

為1時，在時鐘周期的第二邊沿傳輸數據(或者理解為後一邊沿)

這裡值得引起注意的地方是，對第一邊沿和第二邊沿的理解。當CPOL=0，也就是時鐘空閑為低電平時，第一邊沿應該是時鐘由低電平變成高電平的邊沿，也就是第一個上升沿，那麼第二邊沿就是下降沿了。同理，當CPOL=1，也就是時鐘空閑為高電平時，第一邊沿應該是時鐘由高電平變成低電平的邊沿，也就是第一個下降沿。那麼第二邊沿就是上升沿了，

下面把四種模式的示意圖bia出來

大家可以對比文字和圖片，瞧瞧這四種模式，好了，啰嗦了半天。來點好玩的吧！手頭上SPI的器件不多，專門跑去ADI官網申請了一篇SPI介面的AD。AD7685，SPI介面的16位AD轉換器，就是這貨

電路圖

隨手畫的，勿噴啊！簡便起見，沒有使用壓隨器，直接分壓接入。不過要注意AD7685的輸入阻抗要求，數據埠SDI直接連到高電平。其實是一個三線制的SPI介面，看看AD7685的時序吧！

一次傳輸16位AD數據，在第一個上升沿進行第一位數據的傳輸。所以是Mode 0的SPI器件，也就是 CPOL=0，CPHA=0。51無需去理會CPOL和CPHA，只需要知道AD7685的要求即可，上代碼：

#include <reg51.h>

#define Vref 5.0

sbit smgbit1 = P3^7;

sbit smgbit2 = P3^6;

sbit SCK=P2^2;

sbit SDO=P2^1;

sbit CNV=P2^0;

sbit dp = P1^7;

smgdisp_cache[] = {0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

unsigned int timer_count,Vol,count;

unsigned char temp=0;

float Voltage;

void delay_ms(unsigned int xms)

{

unsigned int i,j;

for(i=xms;i>0;i--)

{

for(j=124;j>0;j--);

}

}

unsigned int adconvert(void)

{

int result;

unsigned char i;

CNV=0;

delay_ms(2);

CNV=1;

delay_ms(2);

for(i=0;i<16;i++) //SPI的數據傳輸喲

{

SCK=1;

CNV=0;

result=result<<1;

if(SDO)

result=result|0x01;

SCK=0;

}

return(result);

}

void init()

{

smgbit1 = 0;

smgbit2 = 1;

TMOD=0x01;//設置定時器0為工作方式1

TH0=0xfc;

TL0=0X66;

EA=1;//開總中斷

ET0=1;//開定時器0中斷

TR0=1;//啟動定時器0

}

void SMG_Dis()

{

if(smgbit2){

P1 = smgdisp_cache[temp%10];

}

if(smgbit1){

P1 = smgdisp_cache[temp/10];

dp = 0;

}

}

void time0() interrupt 1

{ P1 = 0xff; //消除鬼影

timer_count++;

if(timer_count == 100)

{ count++;

Vol = adconvert();

Voltage = Vref*Vol/65535;

temp = (unsigned char)(Voltage*10.0);

timer_count = 0;

}

smgbit1 = ~smgbit1;

smgbit2 = ~smgbit2;

SMG_Dis();

TF0 = 0;

TH0 = 0xfc;

TL0 = 0x66;

}

void main()

{ init();

while(1){

}

}

採集AD值，通過數碼管顯示，數碼管用定時器掃描

GIF顯示從0-2.5v的採樣，突然想起手上還有個點陣LED模塊。

這貨好像也是個SPI介面呢

MAX7219LED驅動IC，趕緊看看數據手冊

果然，看看時序

依然還是模式0啊，寫好代碼

#include <reg51.h>

#include <intrins.h>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

//定義Max7219埠

sbit Max7219_pinCLK = P2^2;

sbit Max7219_pinCS = P2^1;

sbit Max7219_pinDIN = P2^0;

void Delay_xms(uint x)

{

uint i,j;

for(i=0;i<x;i++)

for(j=0;j<112;j++);

}

//--------------------------------------------

//功能：向MAX7219(U3)寫入位元組SPI

//入口參數：DATA

//出口參數：無

//說明：

void Write_Max7219_byte(uchar DATA)

{

uchar i;

Max7219_pinCS=0;

for(i=8;i>=1;i--)

{

Max7219_pinCLK=0;

Max7219_pinDIN=DATA&0x80;

DATA=DATA<<1;

Max7219_pinCLK=1;

}

}

//-------------------------------------------

//功能：向MAX7219寫入數據

//入口參數：address、dat

//出口參數：無

//說明：

void Write_Max7219(uchar address,uchar dat)

{

Max7219_pinCS=0;

Write_Max7219_byte(address); //寫入地址，即數碼管編號

Write_Max7219_byte(dat); //寫入數據，即數碼管顯示數字

Max7219_pinCS=1;

}

void Init_MAX7219(void)

{

Write_Max7219(0x09, 0x00); //解碼方式：BCD碼

Write_Max7219(0x0a, 0x00); //亮度

Write_Max7219(0x0b, 0x07); //掃描界限；8個數碼管顯示

Write_Max7219(0x0c, 0x01); //掉電模式：0，普通模式：1

Write_Max7219(0x0f, 0x00); //顯示測試：1；測試結束，正常顯示：0

}

void main(void)

{

uchar i,j;

uchar temp[]={0x00,0x66,0x99,0x81,0x42,0x24,0x18,0x00};//LED點陣取模,❤型

Init_MAX7219();

while(1)

{

for(i=1;i<9;i++)

Write_Max7219(i,temp[i-1]);

for(i=1;i<16;i++){

Write_Max7219(0x0a, i);

Delay_xms(50);}

for(i=15;i>0;i--){

Write_Max7219(0x0a, i);

Delay_xms(50);}

}

}

上個圖

其實代碼還是可以閃爍的，只需要向MAX7219相關寄存器通過SPI寫入值即可

SPI相比IIC而言的話簡單不少啊，今天就先到這裡。

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