SPI总线原理与应用篇《电子制作》2008年9月站长原创，如需引用请注明出处
大家好，通过以前的学习，我们已经对51单片机综合学习系统的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了使用IIC总线的基本知识，体会到了综合学习系统的易用性与易学性，这一期我们将一起学习SPI总线的基本原理与应用实例。
先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI 总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。主体系统如图1所示，其配套书本教程《单片机快速入门》如图2所示。
图1 51单片机综合学习系统主机部分图片
图2 51单片机综合学习系统配套书本教程——《单片机快速入门》
上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，如图1所示，本期实验我们用到了综合系统主机、板载的AT93C46芯片，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。
SPI总线简介
SPI总线基本概念
SPI ( Serial Peripheral Interface ———串行外设接口) 总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。SPI总线系统是一种同步串行外设接口,允许MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。外围设备包括FLASHRAM、A/ D 转换器、网络控制器、MCU 等。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。其工作模式有两种：主模式和从模式。SPI是一种允许一个主设备启动一个从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。也就是SPI是一种规定好的通讯方式。这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4根就够基本通讯了（不算电源线）。同时传输速度也很高。一般来说要求主设备要有SPI控制器（也可用模拟方式），就可以与基于SPI的芯片通讯了。
SPI总线系统结构
SPI 系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,一般使用4 条线:串行时钟线(SCK) 、主机输入/ 从机输出数据线MISO（DO）、主机输出/ 从机输入数据线MOSI （DI）和低电平有效的从机选择线CS。MISO和MOSI用于串行接收和发送数据，先为MSB(高位)，后为LSB(低位)。在SPI设置为主机方式时，MISO是主机数据输入给，MOSI 是主机数据输出线。SCK用于提供时钟脉冲将数据一位位地传送。SPI总线器件间传送数据框图如图3所示：
图3 SPI总线器件间传送数据框图
SPI总线的接口特性
利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统。如1个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主MCU和1个或几个从I／O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合，可使用1个MCU作为主控机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。
当一个主控机通过SPI与几种不同的串行I／O芯片相连时，必须使用每片的允许控制端，这可通过MCU的I／O端口输出线来实现。但应特别注意这些串行I／O芯片的输入输出特性：首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片时，输出端应处于高阻态。若没有三态控制端，则应外加三态门。否则MCU的MISO端只能连接1个输入芯片。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。因为只有在此芯片允许时，SCK脉冲才把串行数据移入该芯片；在禁止时，SCK对芯片无影响。若没有允许控制端，则应在外围用门电路对SCK进行控制，然后再加到芯片的时钟输入端；当然，也可以只在SPI总线上连接1个芯片，而不再连接其它输入或输出芯片。
SPI总线的数据传输
SPI是一个环形总线结构，其时序其实很简单，主要是在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。SPI数据传输原理很简单，它需要至少4根线，事实上3根也可以。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI 设备成为可能。在SPI方式下数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。假设8位寄存器内装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。那么第一个上升沿来的时候数据将会是高位数据SDO=1。下降沿到来的时候，SDI 上的电平将被存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010SDI，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个SPI时序。下面举一个实例来说明其数据传送过程。
假设主机和从机初始化就绪，并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对SPI的8个时钟周期的数据情况演示一遍:（下表中“上”表示上升沿，“下”表示下降沿）
脉冲序号主机缓
存
从机缓存
SD
I
SD
O
0 101010
10
01010101 0 0
1上010101
0x
1010101x 0 1
1下010101
00
10101011 0 1
2上101010
0x
0101011x 1 0
2下101010
01
01010110 1 0
3上010100
1x
1010110x 0 1
3下010100
10
10101101 0 1
4上101001
0x
0101101x 1 0
4下101001
01
01011010 1 0
5上010010
1x
1011010x 0 1
5下010010
10
10110101 0 1
6上100101
0x
0110101x 1 0