SPI總線

SPI總線(Serial Peripheral Interface串行外圍設備接口總線)是三線式的串行總線，是由摩托羅拉公司所研發，使用三線進行數據傳輸，分別是SCK時鐘引腳，SI數據輸入引腳和SO數據輸出引腳，另外還有CS片選引腳可以對同一總線上的芯片進行選通使用，SPI總線已被廣泛使用在EEPROM、單片機和各種設備中。常用串行EEPROM中的25XX系列芯片就是使用兼容SPI總線結構，采用先進COMS技術，體積小，是一種理想的低功耗非易失性存儲器，廣泛使用在各種家電、通訊、交通或工業設備中，通常是用于保存設備或個人的相關設置數據。ATMEL公司生產的25系列的EEPROM存儲容量從1K位到256K位。其它一些芯片也會用到SPI總線，如常用的CPU監控芯片X5043、X5045就帶有512字節的SPI界面EEPROM，常用于單片機系統的看門狗電路，同時也可以提供小數據量的存儲，給電路設計帶來很多的方便。此文將用X5045為例講述SPI的編程應用和X5045的一些其它功能。X5045由Xicor公司出品，電壓范圍有2.7V到5.5V和4.5V到5.5V二個版本，擦寫次數可達一百萬次，最高時鐘頻率可達3.3MHz。

圖二

圖二是X5045的引腳定義圖。CS/WDI是片選和看門狗復位輸入，當CS為高時SO引腳變為高阻態，這時可以允許其它器件共用SPI總線，同時芯片也處于休眠狀態，當CS為低時芯片被選中，并從休眠狀態中喚醒，可以進行讀寫操作。SO是串行數據輸出，在讀芯片時數據從此腳輸出。WP是寫保護引腳，當WP為低時芯片寫保護，不能對芯片寫操作，但其它功能不受影響。Vss是電源地。SI是串行數據輸入，接收來自控制器的數據和地址。SCK是串行時鐘輸入，RESET是復位輸出，Vcc是電源。在25芯片中還有一個HOLD引腳，此引腳的功能是保持輸入腳，ATMEL公司生產25芯片的HOLD引腳是低電平有效。不用此功能時，HOLD引腳要保持高電平。在芯片正在串行傳輸時，將HOLD拉為低電平，可以暫停進一步的傳送，具體方法是SCK變低后，將HOLD也拉低，不然在下一個SCK變低前不能暫停傳送，要恢復串行傳送，必須在SCK為低電平時將HOLD拉高。芯片處于暫停時，SI，SO，SCK腳為高阻狀態，任何時刻只要HOLD被拉低時，SO都會處于高阻狀態。

限于文章的篇幅，下面內容只著重介紹X5045芯片的SPI總線對EEPROM單元的編程應用。在X5040芯片中有6個指令，它和25系列芯片的指令是兼容的，也就是說在25系列芯片中使用時基本上是不需要改變的，具體見表一。

寫入允許和禁止
X5045芯片內部有一個寫入使能寄存器，在需要向芯片寫入數據時，需要先用WREN指令使片內寫入使能寄存器先置位，寫入數據后可以用WRDI指令使寄存器復位到禁止狀態。當上電、WRSR指令執行、WRITE指令執行、WP拉低也會使寫入使能寄存器復位到禁止狀態。圖三是WREN/WRDI指令的操作時序圖。首先要把CS拉低，輸入數據，向SCK輸入時鐘信號，數據在時鐘的上升沿有效，時鐘上升后至少數據至少保持30ns。數據是串行的，所以在每個時鐘周期的上升沿發送一個位。在操作這兩個指令時，SO是處于高阻狀態的。

圖三 寫入使能時序

讀寫狀態寄存器

X5045片內有一個狀態寄存器，用于指于芯片的狀態和設置，可以讀寫，芯片出廠時狀態寄存器值為30H。具體每位的功能請看表2。WIP寫入保護位，是只讀位，指示芯片是否正忙于寫入操作。當WIP為“1”時，說明寫入正在進行，為“0”時表示沒有進行寫入。在編程時，寫入數據操作后，可以查詢WIP位，當WIP為0后才進行下一次的寫入操作，這樣可以避免寫入出錯。WEL寫入使能狀態位，是只讀位。WEL位的狀態由WREN和WRDI指令確定，WREN成功執行后WEL為“1”指示允許寫入數據，WRDI指令成功執行后WEL為“0”指示禁止寫入數據。在編程時可以先查詢WEL位的狀態，如為0時則要執行WREN后才可以進行寫入操作。BL0、BL1設置當前保護的區塊地址，是可讀寫位，這兩個位的設置和區塊地址的關系如表3，區塊的內容被保護后，就只能讀出而不能寫入了。25系列芯片中不同型號的芯片容量不一樣，BL設置所保護的范圍也不一樣。WD1、WD0看門狗設置位是X5045/43特有的設置位，是可以讀寫位，在25系列芯片中這兩個位是保留位，在X5045中有看門狗功能，這兩個位就用于設置MCU喂狗的時間，表4是看門狗位的設置時間。狀態寄存器的第6和第7位是保留位。讀狀態寄存器時，發送完RSDR指令后，SO由高阻態轉為輸出數據，從數據位的高位開始。寫狀態寄存器，發送完WSDR指令后，再發一個字節的狀態數據就可以了，其中只讀位可以是“1”也可以是“0”，它們不會被WSDR指令所更改。圖5、圖6是讀寫狀態寄存器的時序圖。

圖四 讀狀態寄存器時序

圖五 寫狀態寄存器時序

讀數據

圖六是讀數據時的時序，先拉低CS選中芯片，先要把需讀取的地址的第9位加到指令字節的第4個字節中，發送完指令字節就發送地址字節的前8位，這時SO就會由高阻態轉為輸出數據。每當一個字節的數據傳送完畢后，芯片內部的地址指針自動加1，指向下一個數據地址，這時如仍有時鐘脈沖時，數據會被繼續輸出，CS腳拉高后輸出才會終止。當最高位地址的數據被讀出后，地址指針指向00H。

圖六 讀數據時序

寫數據

在向芯片寫入數據之前，寫使能寄存器必須處于置位狀態，一般可以不必查詢寫使能寄存器的狀態，而直接用WREN置位寫使能寄存器。在發送完WREN指令后，必須把CS拉高，在CS拉高之前寫使能寄存器并沒有置位，這時向芯片傳送數據是不會被寫入的。寫使能寄存器置位后，再將CS拉低，把需讀取的地址的第9位加到指令字節的第4個字節中，發送完指令字節就發送地址字節的前8位，然后發送需寫入的數據。WRITE指令可以連續寫入16個字節，但這16個字節的地址必須在同一頁中。每一頁的地址由[xxxxx0000]開始，到[xxxxx1111]結束。操作方法就是在發送完每一個地址和數據后，繼續發后面的數據，芯片內部的地址指針會自動累加，當達到頁中最后一個字節時，時鐘仍在繼續，則內部地址指針回到頁中第一個地址重新開始累加，并覆蓋以前寫入的數據。要注意的是，在操作過程中CS不能拉高，只有在數據字節的最后一個位傳送完成后才可以拉高CS，不然寫入操作將不完全。在寫入數據或寫狀態寄存器指令寫送后，芯片會進入一次非易失性寫操作，這會花費一定的時間，最大約為10ms，在這個時間內可以用讀狀態寄存器，并檢查WIP位，當WIP為1時則說明寫入還在進行中，只有當WIP位為0時才可以進行下一次的讀寫數據操作，否則將會使寫入不完全。

圖七 寫數據時序

下面我們用AT89C2051和X5045為主做一個密碼控制器實驗。使用X5045的看門狗功能可以使電路在受到干擾或特殊情況死機后，可以自動復位重啟電路，使電路保持正常工作。使用X5045的數據讀寫功能，可以保存密碼，也可以修改密碼。本文附帶的實例程序演示X5045的狀態寄存器的讀寫、存儲位的讀寫，里面的功能函數可以直接移植到別的程序中。電路上電后，紅色LED亮，當按下按鍵時綠色LED閃亮一下，當按下“3,1,5,8,1,8”，密碼正確，紅色LED滅，綠色LED亮，繼電器打開，10秒后回到上電時的狀態。當按下第一次按鍵后20秒內沒有按下正確的鍵值，則會進行下一次鍵值輸入。程序可以方便修改成可以方便更改密碼的程序，也可以加入記錄工作次數的程序等等，升級成更實用的程序。圖9是筆者用萬用板搭建成的實驗電路。在上一篇提供的EEPROM讀寫器電路及程序也支持25系列芯片和X5043/45芯片，可以直接使用它來讀寫。

圖八 電路圖