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SPI總線的特點、工作方式及常見錯誤解答

發(fā)布時間:2011-08-03

中心議題:

  • SPI總線簡介及主要特點
  • SPI總線工作方式
  • SPI總線常見錯誤
  • SPI總線控制器設(shè)計


1.SPI總線簡介

SPI(serial peripheral interface,串行外圍設(shè)備接口)總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。它用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。它只需四條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊,這四條線是:串行時鐘線(CSK)、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線(MISO)、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線(MOSI)、低電平有效從機選擇線CS。當(dāng)SPI工作時,在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳(MOSI)輸出(高位在前),同時從輸入引腳(MISO)接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器(高位在前)。發(fā)送一個字節(jié)后,從另一個外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。即完成一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嵸|(zhì)是兩個器件寄存器內(nèi)容的交換。主SPI的時鐘信號(SCK)使傳輸同步。其典型系統(tǒng)框圖如下圖所示。


圖1 典型系統(tǒng)框圖

2.SPI總線的主要特點

  • 全雙工;
  • 提供頻率可編程時鐘;
  • 發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志;
  • 寫沖突保護;
  • 總線競爭保護等。

3.SPI總線工作方式

SPI總線有四種工作方式,其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實線表示):


圖2 SPI0和SPI3方式(實線表示)

四種工作方式時序分別為:


圖3 四種工作方式時序

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時序詳解:
CPOL:時鐘極性選擇,為0時SPI總線空閑為低電平,為1時SPI總線空閑為高電平
CPHA:時鐘相位選擇,為0時在SCK第一個跳變沿采樣,為1時在SCK第二個跳變沿采樣

工作方式1:
當(dāng)CPHA=0、CPOL=0時SPI總線工作在方式1。MISO引腳上的數(shù)據(jù)在第一個SPSCK沿跳變之前已經(jīng)上線了,而為了保證正確傳輸,MOSI引腳的MSB位必須與SPSCK的第一個邊沿同步,在SPI傳輸過程中,首先將數(shù)據(jù)上線,然后在同步時鐘信號的上升沿時,SPI的接收方捕捉位信號,在時鐘信號的一個周期結(jié)束時(下降沿),下一位數(shù)據(jù)信號上線,再重復(fù)上述過程,直到一個字節(jié)的8位信號傳輸結(jié)束。

工作方式2:
當(dāng)CPHA=0、CPOL=1時SPI總線工作在方式2。與前者唯一不同之處只是在同步時鐘信號的下降沿時捕捉位信號,上升沿時下一位數(shù)據(jù)上線。

工作方式3:
當(dāng)CPHA=1、CPOL=0時SPI總線工作在方式3。MISO引腳和MOSI引腳上的數(shù)據(jù)的MSB位必須與SPSCK的第一個邊沿同步,在SPI傳輸過程中,在同步時鐘信號周期開始時(上升沿)數(shù)據(jù)上線,然后在同步時鐘信號的下降沿時,SPI的接收方捕捉位信號,在時鐘信號的一個周期結(jié)束時(上升沿),下一位數(shù)據(jù)信號上線,再重復(fù)上述過程,直到一個字節(jié)的8位信號傳輸結(jié)束。

工作方式4:
當(dāng)CPHA=1、CPOL=1時SPI總線工作在方式4。與前者唯一不同之處只是在同步時鐘信號的上升沿時捕捉位信號,下降沿時下一位數(shù)據(jù)上線。

4.SPI總線常見錯誤

4.1 SPR設(shè)定錯誤
在從器件時鐘頻率小于主器件時鐘頻率時,如果SCK的速率設(shè)得太快,將導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)不正確(SPI接口本身難以判斷收到的數(shù)據(jù)是否正確,要在軟件中處理)。

整個系統(tǒng)的速度受三個因素影響:主器件時鐘CLK主、從器件時鐘CLK從和同步串行時鐘SCK,其中SCK是對CLK主的分頻,CLK從和CLK主是異步的。要使SCK無差錯無遺漏地被從器件所檢測到,從器件的時鐘CLK從必須要足夠快。下面以SCK設(shè)置為CLK主的4分頻的波形為例,分析同步串行時鐘、主時鐘和從時鐘之間的關(guān)系。


圖4主從時鐘和SCK的關(guān)系

如圖4所示,當(dāng)T從  圖5中,當(dāng)T從≥TSCK/2=2T主時,在clk_s的兩個上升沿都檢測不到SCK的低電平,這樣從器件就會漏掉一個SCK。在某些相位條件下,即使CLK從僥幸能檢測到SCK的低電平,也不能保證可以繼續(xù)檢測到下一個SCK。只要遺漏了一個SCK,就相當(dāng)于串行數(shù)據(jù)漏掉了一個位,后面繼續(xù)接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)就都是錯誤的了。


圖5主從時鐘和SCK的關(guān)系

根據(jù)以上的分析,SPR和主從時鐘比的關(guān)系如表1所列。


表1 SPR的設(shè)置和主從時鐘周期比值之間的關(guān)系

在發(fā)送數(shù)據(jù)之前按照表1對SPR進(jìn)行設(shè)置,SPR設(shè)定錯誤可以完全避免。
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4.2 模式錯誤(MODF)
模式錯誤表示的是主從模式選擇的設(shè)置和引腳SS的連接不一致。

器件工作在主模式的時候(MSTR=1),它的片選信號SS引腳必須接高電平。在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中,如果它的SS從高電平跳至低電平,在SS的下降沿,SPI模塊將檢測到模式錯誤,對MODF位置1,強制器件從主模式轉(zhuǎn)入從模式(即令MSTR=0),清空內(nèi)部計數(shù)器counter,并結(jié)束正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸,如圖6(a)所示。

對從模式(MSTR=0),在沒有數(shù)據(jù)傳送的時候,SS高電平表示從器件未被選中,從器件不工作,MISO輸出高阻;在數(shù)據(jù)傳輸過程中,片選信號SS必須接低電平,且SS不允許跳變。如果SS從低電平跳到高電平,在SS的上跳沿,SPI模塊也將檢測到模式錯誤,清空內(nèi)部計數(shù)器counter,并結(jié)束正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。直到SS恢復(fù)為低電平,重新使SPEN=1時,才重新開始工作,如圖6(b)所示。

4.3 溢出錯誤(OVR)
溢出錯誤表示連續(xù)傳輸多個數(shù)據(jù)時,后一個數(shù)據(jù)覆蓋了前一個數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的錯誤。

狀態(tài)標(biāo)志SPIF表示的是數(shù)據(jù)傳輸正在進(jìn)行中,它對數(shù)據(jù)的傳輸有較大的影響。主器件的SPIF有效由數(shù)據(jù)寄存器的空標(biāo)志SPTE=0產(chǎn)生,而從器件的SPIF有效則只能由收到的第一個SCK的跳變產(chǎn)生,且又由于從器件的SPIF和主器件發(fā)出的SCK是異步的,因此從器件的傳輸標(biāo)志SPIF從相對于主器件的傳輸標(biāo)志SPIF主有一定的滯后。如圖7所示,在主器件連續(xù)發(fā)送兩個數(shù)據(jù)的時候?qū)⒂锌赡軐?dǎo)致從器件的傳輸標(biāo)志和主器件下一個數(shù)據(jù)的傳輸標(biāo)志相重疊(圖7中虛線和陰影部分),第一個收到的數(shù)據(jù)必然被覆蓋,第二個數(shù)據(jù)的收/發(fā)也必然出錯,產(chǎn)生溢出錯誤。


圖7溢出錯誤

通過對從器件的波形分析發(fā)現(xiàn),counter=8后的第一個時鐘周期,數(shù)據(jù)最后一位的傳輸已經(jīng)完成。在數(shù)據(jù)已經(jīng)收/發(fā)完畢的情況下,counter=8狀態(tài)的長短對數(shù)據(jù)的正確性沒有影響,因此可以縮短counter=8的狀態(tài),以避免前一個SPIF和后一個SPIF相重疊。這樣,從硬件上避免了這一階段的溢出錯誤。

但是,如果從器件工作速度不夠快或者軟件正在處理其他事情,在SPI接口接收到的數(shù)據(jù)尚未被讀取的情況下,又接收到一個新的數(shù)據(jù),溢出錯誤還是會發(fā)生的。此時,SPI接口保護前一個數(shù)據(jù)不被覆蓋,舍棄新收到的數(shù)據(jù),置溢出標(biāo)志OVR=1;另外發(fā)出中斷信號(如果該中斷允許),通知從器件及時讀取數(shù)據(jù)。
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4.4 偏移錯誤(OFST)
SPI接口一般要求從器件先工作,然后主器件才開始發(fā)送數(shù)據(jù)。有時在主器件往外發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中,從器件才開始工作,或者SCK受到外界干擾,從器件未能準(zhǔn)確地接收到8個SCK。如圖8所示,從器件接收到的8個SCK其實是屬于主器件發(fā)送相鄰的兩個數(shù)據(jù)的SCK主。這時,主器件的SPIF和從器件的SPIF會發(fā)生重疊,數(shù)據(jù)發(fā)生了錯位,從器件如果不對此進(jìn)行糾正的話,數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送便一直地錯下去。


圖8偏移錯誤

在一個數(shù)據(jù)的傳輸過程中,SPR是不允許改變的,即SCK是均勻的,而從圖5可以看出,從器件接收到的8個SCK并不均勻,它們是分別屬于兩個數(shù)據(jù)的,因此可以計算SCK的占空時間來判斷是否發(fā)生了偏移錯誤。經(jīng)分析,正常時候SCK=1時的時鐘周期數(shù)n的取值滿足如下關(guān)系:

但由于主從時鐘之間是異步的,并且經(jīng)過了取整,所以正常時候SCK=1時的時鐘周期計數(shù)值COUNT應(yīng)滿足:

比如在圖5中,COUNT的最大值COUNT(max)=2或者1,都可認(rèn)為是正常的。但當(dāng)出現(xiàn)COUNT(max)=8時,可以判定出現(xiàn)了偏移錯誤。在實際設(shè)計中,先記錄下第一個COUNT(max)的值,如果后面又出現(xiàn)與記錄值相差1以上的COUNT(max)出現(xiàn),可知有偏移錯誤OFST發(fā)生。SPI接口在“不均勻”的地方令SPIF=1,然后準(zhǔn)備等待下一個數(shù)據(jù)的第一個SCK。其中COUNT的位數(shù)固定為8位,為了避免溢出時重新從00H開始計數(shù),當(dāng)計數(shù)達(dá)到ffH時停止計數(shù)。

4.5 其他錯誤
設(shè)定不當(dāng),或者受到外界干擾,數(shù)據(jù)傳輸難免會發(fā)生錯誤,或者有時軟件對錯誤的種類判斷不清,必須要有一種方法強制SPI接口從錯誤狀態(tài)中恢復(fù)過來。在SPI不工作,即SPEN=0的時候,清除SPI模塊內(nèi)部幾乎所有的狀態(tài)(專用寄存器除外)。如果軟件在接收數(shù)據(jù)的時候,能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有錯誤,無論是什么錯誤,都可以強制停止SPI的工作,重新進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如,在偏移錯誤(OFST)中,如果SPR2、SPR1和SPR0的設(shè)置適當(dāng),也可以使SCK顯得比較“均勻”。SPI接口硬件本身不可能檢測到有錯誤,若用戶軟件能夠發(fā)現(xiàn)錯誤,這時就可以強制停止SPI的傳輸工作,這樣就可以避免錯誤一直持續(xù)下去。

在應(yīng)用中,如果對數(shù)據(jù)的正確性要求較高,除了要在軟件上滿足SPI接口的時序要求外,還需要在軟件上作適當(dāng)?shù)奶幚怼?br />
5.設(shè)計SPI總線控制器

目前的項目中使用了SPI總線接口的FLASH存儲器存儲圖像數(shù)據(jù)。FLASH的SPI總線頻率高達(dá)66M,但MCU的頻率較低,晶振頻率7.3728M,SPI最大頻率為主頻1/2。對于320*240*16的圖像讀取時間為333ms,而且還忽略了等待SPI傳輸完成、寫顯存、地址坐標(biāo)設(shè)定等時間。實際測試約為1s。成為GUI設(shè)計的極大瓶頸。由于TFT驅(qū)動是自己FPGA設(shè)計的,資源尚有余量,決定把SPI控制器(主)及寫圖像部分邏輯放入FPGA中用硬件完成。

首先接觸到的是SPI的SCK時鐘頻率問題。FPGA的頻率是48M,未使用PLL。能否以此頻率作為SCK頻率呢?要知道所有的MCU提供的SPI頻率最大為主頻的1/2!為什么呢?查過一些資料后發(fā)現(xiàn),SPI從機接收數(shù)據(jù)并不是以SCK為時鐘的,而是以主頻為時鐘對SCK和MISO進(jìn)行采樣,由采樣原理得知SCK不能大于1/2主頻,也就有了MCU提供最大master頻率是1/2主頻,最大slaver頻率是1/4主頻。FPGA在只作為主機時能否實現(xiàn)同主頻一樣頻率的SCK呢??答案貌似是肯定的!但我還是有點擔(dān)心,用組合邏輯控制SCK會不會出現(xiàn)較大毛刺影響系統(tǒng)穩(wěn)定性呢?

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