Шина SPI (Serial Fringe Interface) представляет собой синхронную последовательную шину связи, представленную компанией Motorola, в первую очередь используемую для передачи данных между микроконтроллерами и периферийными устройствами. Шина SPI широко применяется во многих микросхемах, таких как микроконтроллер Motorola M68HC08, АЦП от TI TLC2543 и ЦАП TLC5615, а также датчик температуры AD AD7816. Шина SPI является полнодуплексной синхронной последовательной шиной, используемой для синхронной связи между микроконтроллерами (MCU) и периферийными устройствами.

Функции выводов шины SPI

Шина SPI обычно использует четыре линии: последовательная линия тактового сигнала SCK, линия данных для ввода на мастер/вывода на слейв MISO, линия данных для вывода на мастер/ввода на слейв MOSI и линия выбора слейва SSEL, активируемая низким уровнем сигнала. Их конкретные функции следующие:

1. MISO (Ввод на мастер/Вывод на слейв): линия ввода данных на мастер и линия вывода данных на слейв.

2. MOSI (Вывод на мастер/Ввод на слейв): линия вывода данных на мастер и линия ввода данных на слейв.

3. SCK (Последовательный тактовый сигнал): линия вывода тактового сигнала на мастер и линия ввода тактового сигнала на слейв. Тактовый сигнал контролирует скорость передачи данных.

4. SS (Выбор слейва): сигнал выбора чипа слейва.

Рисунок 1: Схематическая диаграмма расширения интерфейса шины SPI

В коммуникации по шине SPI есть только один мастер, но может быть несколько слейвов. Все линии MOSI, MISO и SCK слейвов подключены вместе, и мастер выбирает одного или нескольких слейвов для связи через сигнал выбора чипа.

Полярность и фаза тактового сигнала

Передача данных по шине SPI контролируется следующими двумя параметрами тактового сигнала:

1. CPOL (Управляющий бит полярности тактового сигнала): определяет уровень линии тактового сигнала SCK в неактивном состоянии шины SPI. Когда CPOL равен 0, SCK низкий в неактивном состоянии; когда CPOL равен 1, SCK высокий в неактивном состоянии.

2. CPHA (Управляющий бит фазы тактового сигнала): определяет положение выборки данных на шине SPI. Когда CPHA равен 0, данные выборки на первом тактовом фронте; когда CPHA равен 1, данные выборки на втором тактовом фронте.

Тайминг шины SPI

Устройства SPI могут передавать и принимать данные на восходящем или нисходящем фронте тактового сигнала SCK. Передача данных может быть в порядке "от самого значимого бита к наименее значимому" или "от наименее значимого бита к самому значимому". Например, если мастер получает данные на восходящем фронте тактового сигнала SCK в порядке "от самого значимого бита к наименее значимому", тайминг будет следующим:

1. Когда контакт SS становится низким, выбирается слейв и отправляет самый значимый бит D7 на контакт MISO.

2. На каждом нисходящем фронте тактового сигнала SCK слейв отправляет один бит данных на контакт MISO.

3. На каждом восходящем фронте тактового сигнала SCK мастер собирает данные на контакте MISO, завершая приём данных.

Рисунок 2: Диаграмма тайминга шины SPI

Применение

Шина SPI широко используется для связи между EEPROM, Flash, часами реального времени (RTC), аналогово-цифровыми преобразователями (ADC), сетевыми контроллерами, MCU, цифровыми сигнальными процессорами (DSP) и цифровыми сигнальными преобразователями. Система SPI может напрямую взаимодействовать с различными стандартными периферийными устройствами и обычно использует четыре линии для связи.

Эмуляция шины SPI

Для микроконтроллеров MCS-51 без встроенного интерфейса SPI сигналы и тайминг шины SPI могут быть эмулированы с использованием параллельных выводов ввода-вывода. Например, выводы P1.0, P1.1, P1.2 и P1.3 микроконтроллера 8051 могут использоваться для эмуляции контактов MISO, MOSI, SCK и CS шины SPI соответственно.

Рисунок 3: Схематическая диаграмма вывода микроконтроллера 8051, эмулирующая шину SPI

Описание иллюстрации

Рисунок 1 показывает схематическую диаграмму расширения интерфейса шины SPI, с четырьмя сигнальными линиями, соединяющими мастер и слейв устройства. Рисунок 2 показывает диаграмму тайминга шины SPI, а Рисунок 3 показывает схематическую диаграмму выводов микроконтроллера 8051, эмулирующих шину SPI. Понимая шину SPI, можно всесторонне понять её применение и реализацию в связи между микроконтроллерами и периферийными устройствами.