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SDISDO0 1010101001010101 0 01上0101010x1010101x 0 11下0101010010101011 0 12上1010100x0101011x 1 02下1010100101010110 1 03上0101001x1010110x 0 13下0101001010101101 0 14上1010010x0101101x 1 04下1010010101011010 1 05上0100101x1011010x 0 15下0100101010110101 0 16上1001010x0110101x 1 06下1001010101101010 1 07上0010101x1101010x 0 17下0010101011010101 0 18上0101010x1010101x 1 08下0101010110101010 1 0表1：脉冲与数据变化对应表这样就完成了两个寄存器8位的交换，SDI、SDO是相对于主机而言的。

其中CS引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。

根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。

也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

SPI还是一个数据交换协议，因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出对于不带SPI串行总线接口的MCS51系列单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。

如我们可以定义三个普通I/O口用来模拟SPI器件的SCK、MISO、MOSI。

对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。

对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口的初始状态设置为1，而在允许接口后再置为0。

这样，MCU在输出1位SCK 时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至单片机的模拟MISO线，此后再置SCK为1，使单片机从模拟的MOSI线输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。

至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。

此后再置SCK为0，模拟下1位数据的输入输出……，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。

对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置SCK为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据（MCU发送1位数据），从而完成1位数据的传送。

93C46存储器的软硬件设计实例下面就以目前单片机系统中广泛应用的SPI接口的数据存储器93C46为例，介绍SPI器件的基本应用。

93C46串行存储器简介93C46是1k位串行EEPROM储存器。

每一个储存器都可以通过DI/DO引脚写入或读出。

它的存储容量为1024位，内部为128×8位或64×16位。

93C46为串行三线SPI操作芯片，在时钟时序的同步下接收数据口的指令。

指令码为9位十进制码，具有7个指令，读、擦写使能、擦除、写、全擦、全写及擦除禁止。

该芯片擦写时间快，有擦写使能保护，可靠性高，擦写次数可达100万次，93C46的引脚功能图如图4所示。

图4 93C46的引脚图CS：芯片选择SCK：时钟DI：串行数据输入DO：串行数据输出VSS：接地NC：空脚（应用时不用接任何电路）VCC：电源指令起始位操作数地址数据64╳16 128╳8 64╳16 128╳8读（READ） 1 10 A5~A0 A6~A0清除（（ERASE） 1 11 A5~A0 A6~A0写（WRITE） 1 01 A5~A0 A6~A0 D15~D0 D7~D0 写使能（EWEN） 1 00 11XXXX 11XXXXX写禁止（EWDS） 1 00 00XXXX 00XXXXX芯片清除（ERAL）1 00 10XXXX 10XXXXX芯片写入（WRAL）1 00 01XXXX 01XXXXX D15~D0 D7~D0表2：93C46串行EEPROM指令格式选择表指令说明：•读（READ）：当下达10XXXXXX指令后，地址（XXXXXXXX）的数据在SCK=1时由DO输出。

•写（WRITE）：在写入数据前，必须先下达写使能（EWEN）指令，然后再下达01XXXXXX指令后，当SCK=1时，会把数据码写入指定地址（XXXXXXXX）；而DO=0时，表示还在进行写操作，写入结束后DO会转为高电平。

写入动作完成后，必须再下达写禁止（EWDS）命令。

•清除（ERASE）：下达清除指令11XXXXXX后会将地址（XXXXXXXX）的数据清除。