嵌入式系統可使用一個或多個處理器或微控制器，在更復雜的系統中執行專用操作。這些嵌入式控制器需要與其他系統元件、傳感器甚至其他控制器進行通信。雖然復雜的串行接口和協議很常見，但可能很難進行編程和故障排除，特別是在與之通信的設備數量較少時尤其如此。

　　設計人員需要具有簡單的設備到設備數字接口的微控制器、外設和傳感器，以便可以高速處理任意長度的數據，并且省去與協議相關的復雜編程任務。

　　簡單的解決方案是選擇帶有串行外設接口 （SPI） 的控制器，這樣可將控制器連接到一些本地的外設 IC 或傳感器。這種接口是一種簡單的同步接口，使用硬件尋址并以高達 50 兆赫茲 （MHz） 的時鐘速率運行。SPI 不使用需要尋址和狀態檢查的復雜協議，相反，它是適用于快速數據傳輸的基本接口，無需復雜接口總線的編程開銷。

　　本文將介紹 SPI 接口的基礎知識（包括多種工作模式），然后介紹具有 SPI 接口的微控制器和其他設備，并且說明如何使用 SPI 接口。

　　什么是 SPI？

　　SPI 是由摩托羅拉（現為 NXP Semiconductors 公司的一部分）于 1985 年前后開發，是一種適用于短距離、設備到設備通信的同步串行接口。從那時起，這種接口就已成為許多半導體制造商，特別是微處理器和微控制器采用的事實標準。

　　SPI 之所以廣受歡迎，是因為它有很多優點。首先，SPI 是一種簡單的硬件尋址接口，在傳輸的位數方面具有全面的靈活性。該接口采用具有單個主設備的主從模型，可使用以高達 50 MHz 時鐘速率運行的全雙工通信來處理多個從設備。它不使用標準協議，僅傳輸數據包，因此非常適合傳輸長數據流。

　　SPI 最多可使用四條信號線（圖 1）。主設備（通常是處理器或控制器）為時鐘 （SCK） 和片選 （CS） 信號線供電并進行控制。全多工操作由數據線“主出從入 （MOSI）”和“主入從出 （MISO）”進行處理。在簡單的單主單從配置中，可以省去片選信號線，并將從設備的 CS 輸入強制作為啟用的邏輯條件。如果從設備只能發送數據（半雙工通信），那么還可以省去 MOSI 線，進一步減少信號計數。數據按時鐘信號輸出，這樣數據傳輸類似于移位寄存器，每個時鐘移出一位。

　　圖 1：基本 SPI 全雙工連接使用兩條數據線（MOSI、MISO）、一條時鐘線 （SCK） 和一條片選線 （CS）。從設備上的 MOSI 有時標記為從設備數據輸入 （SDI）。MISO 可標記為從設備數據輸出 （SDO）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　目前有兩種方法可以處理多個從設備（圖 2）。

　　圖 2：兩種處理多個從設備連接的配置。直接連接方式下每個從設備需要一個片選信號。菊花鏈連接方式僅使用一個片選信號，并將所有數據集中在一條線上。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　直接連接方式下每個從設備使用一條片選信號線。大多數微處理器都有三到四條片選線，這就將從設備的最大數量限制為片選線的數量。這在多數情況下不會出現問題，但如果某個設計需要總線上有更多的設備，這時可以使用菊花鏈方法配置一些設備。通過菊花鏈，多個從設備可使用一個共用的片選信號，而數據則通過共用數據線流出。這里再次將 SPI 從設備用作移位寄存器，來自從設備的數據可以在串行多路復用流中傳播。

　　SPI 時鐘模式

　　由主設備控制并生成時鐘。時鐘的兩個屬性分別是時鐘極性 （CPOL） 和時鐘相位 （CPHA）。這些屬性控制從設備相對數據進行計時的有效時鐘邊沿。CPOL = 0 時，將時鐘設為在邏輯 0 位置空閑。CPOL = 1 時，時鐘在邏輯 1 位置空閑。CPHA = 0 時，數據在上升沿計時，CPHA = 1 時，數據在下降沿計時（圖 3）。

　　圖 3：SPI 時鐘模式選擇確定了進行數據采樣的有效時鐘邊沿。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　主設備中的 CPOL 和 CPHA 線路設置決定了時鐘極性以及進行數據計時的有效邊沿。模式 1 是最常用的模式，但設計人員同樣可以使用其他三種模式。

　　在示波器上可以觀察 SPI 傳輸的三個信號分量（圖 4）。在此示例中，傳輸的是 8 位數據包。用于觀察數據傳輸的是 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器及其 SPI 串行解碼選件。

　　圖 4：在 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器（配有串行解碼選件）上查看的 SPI 互換示例。波形如下：上面的軌跡是數據線，中間的軌跡是時鐘，底部的軌跡是片選信號。數據軌跡上的藍色覆蓋區顯示的是十六進制解碼內容。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　模式 1 時鐘由八脈沖組組成，其中空閑設置為 0 位 （CPOL = 0），數據在后沿或下降沿 （CPHA = 1） 計時。本示例中使用的示波器配有串行解碼選件，用于對數據內容進行解碼。在數據軌跡上的藍色覆蓋區讀出十六進制的數據內容。解碼僅與片選信號線被斷言（0 電平）時發生的數據有關?？偣灿?17 個時鐘猝發，但只有其中 5 個猝發對應有效片選狀態。

　　波形顯示柵格下方的表格中列出了有效數據內容，還有每個數據包相對于示波器觸發器的時間以及測量的時鐘速率（本例中的速率為 100 kb/s）。每個猝發中的時鐘周期數可設定從設備按時鐘輸出的數據位數。

　　微處理器 I/O 選擇

　　Microchip Technology 的 ATtiny816-MNR 是多種微控制器的典型代表，因為它支持多個 I/O 接口（圖 5）。這款特別的控制器采用高性能、低功耗的 AVR?RISC 架構，運行頻率高達 200 MHz。該控制器可由 4 或 8 KB 閃存、256 或 512 字節的 SRAM 以及 128 字節的 EEPROM 進行支持，所有這些存儲器均集成在一個 20 引腳封裝內。

　　圖 5：Microchip Technology 的 ATtiny816 微控制器框圖突出顯示了 I/O 端口。該控制器配有一個 SPI 端口和一個 USART 端口，其中 USART 端口可配置為第二個 SPI。（圖片來源：Microchip Technology）

　　此微控制器的接口側配有一個通用同步和異步收發器 （USART）、一個 I2C 兼容型雙線接口 （TWI） 和 SPI。USART 可配置為第二個 SPI 端口。

　　SPI 可使 AVR 設備和外圍設備之間，或幾個微控制器之間實現全雙工通信。SPI 外設可以配置為主設備或從設備，從而實現微控制器之間的通信。

　　基于 SPI 的傳感器

　　各種通過 SPI 提供數字數據的傳感器可以與集成了 SPI 的大量微處理器和微控制器配套使用。例如，Microchip Technology 的 TC77-3.3MCTTR 數字溫度傳感器是一種可串行訪問的數字溫度傳感器，適用于小外形尺寸、低成本的應用。TC77 的溫度范圍為 -55°C 至 +125°C。該傳感器采用 2.7 V 至 5.5 V 電源，運行時消耗 250 微安 （μA） 電流，并具有僅消耗 1μA 電流的低功耗關斷模式。

　　在典型應用中，此傳感器可通過標準 SPI 連接與處理器相連，其溫度數據可格式化為 13 位數字值，如圖 6 所示。

　　圖 6：Microchip Technology 的 TC77 是一款易于使用的溫度傳感器，不僅外形小巧，而且成本低廉。此溫度傳感器可以快速連接到控制器或處理器，將溫度讀數轉換為 13 位數字值。如時序圖所示，通過將 CS 信號線斷言為邏輯 0 可啟動通信。（圖片來源：Microchip Technology）

　　該圖顯示了 T77 溫度寄存器讀取操作的時序圖。通過斷言 CS 信號線并將其置于邏輯 0，可以啟動通信。然后，傳感器會發送第一位數據。微控制器在 SCK 的上升沿讀取數據。隨后使用 SCK 的下降沿輸出傳感器的其余數據。與前面的示例一樣，此圖也是模式 1 傳輸，只不過數據字較長。

　　擴大 SPI 的使用范圍

　　除了在許多微處理器和微控制器中包含 SPI 之外，一些 IC 制造商還增強了該總線的功能。Analog Devices 的 LTC6820 isoSPI 隔離式通信接口就是個很好的例子。該 IC 為使用差分信號并通過一條雙絞線連接進行通信的兩個 SPI 設備提供電流隔離（圖 7）。盡管時鐘速率比 10 米距離時的 1 Mb/s 標稱速率有所降低，但這種信號模式將 LTC6820 SPI 接口的可用范圍延長到遠達 100 米 （m）。

　　圖 7：一對 LTC6820 隔離器在兩個 SPI 設備之間提供電流隔離。該 IC 在 10 米距離支持高達 1 Mb/s 的數據傳輸速率，在最遠 100 米的距離內，時鐘速率有所降低。（圖片來源：Analog Devices）

　　隔離由脈沖變壓器提供，這種技術通常用于工業網絡應用以及讀取遠程傳感器。

　　結語

　　SPI 解決了一些應用中對簡單、低成本、低開銷接口的需求。在這些應用中，可將源描述為數據流，而不是將數據讀寫到地址位置。這一特性使之成為處理微控制器和傳感器、數字化儀、數字信號處理設備以及其他處理器之間的設備到設備通信的理想選擇。