SPI协议详解

摘要

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，用于微控制器（MCU）和它们的外围设备（外设IC）之间或两个微控制器（MCU）之间的通信。

SPI通信是全双工的，意味着它可以同时发送和接收数据。，以其全双工、高速率和简单硬件结构优于UART。

SPI通信通常需要四根线：SCLK（时钟线）、CS/SS（片选线）、MOSI（主设备数据输出线）、MISO（主设备数据输入线），通过时钟极性和相位配置实现不同模式的通信。

SPI支持多从机模式，如多NSS或菊花链连接，但缺乏硬件级别的错误检查协议，并且通常仅支持一个主设备。在STM32等微控制器中，通过HAL库可以方便地实现SPI编程。

SPI的主要特点

• 全双工通信：可以同时发送和接收数据。
• 高速数据传输：比I2C等其他串行通信协议快。
• 主从模式：有一个主设备（Master）和多个从设备（Slave）。
• 同步通信：使用时钟信号（SCLK）来同步数据传输。
• 数据帧格式：通常为8位或16位，可以配置为MSB（高位在前）或LSB（低位在前）。
• 连接简单：只需要4根线：SCLK、MOSI（主设备数据输出，从设备数据输入线）、MISO（主设备数据输入，从设备数据输出线）、CS（片选信号线）。

SPI的通信特性包括

1. 设备选择：SPI是单主设备通信协议，主设备通过拉低CS/SS信号来选择从设备进行通信。
2. 设备时钟：SPI的时钟信号由主设备产生，数据传输速率取决于时钟频率，且具有可编程性。
3. 四种模式：SPI有四种工作模式，由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）定义，这决定了数据采样和发送的时钟边沿。

SPI的数据传输方式具有以下特点

• 无起始位和停止位，数据位连续传输，提高了传输效率。
• 支持更高的数据传输速率，通常能达到甚至超过10M/bps。
• 灵活的数据传输宽度，不限于8位，可以是任意大小的字。
• 简单的硬件结构，易于实现。

然而，SPI也有一些局限性：

• 需要更多的信号线，相比I2C和UART使用四根信号线。
• 没有像I2C那样的从设备寻址系统，也没有硬件从机应答信号。
• 无法确认数据是否已成功接收，没有错误检查机制如UART中的奇偶校验位。

SPI通信的四个主要信号线：

1. SCLK（Serial Clock）：时钟线，由主设备控制，用于同步数据传输。
2. MOSI（Master Out Slave In）：主设备数据输出线，主设备通过这条线发送数据给从设备。
3. MISO（Master In Slave Out）：主设备数据输入线，主设备通过这条线接收从设备发送的数据。
4. CS（Chip Select）：片选信号线，用于激活特定的从设备。通常由主设备控制，低电平有效。

SPI的测试标准：

SPI通信的测试通常遵循一些通用的电气和协议标准，以确保通信的可靠性和兼容性。虽然没有一个统一的“SPI测试标准”，但是一些通用的测试准则包括：

• 时钟频率测试：验证SPI通信在不同时钟频率下的性能。
• 数据完整性测试：确保数据在传输过程中没有错误。
• 通信距离测试：测试SPI总线在不同长度下的信号完整性。
• 负载测试：测试SPI总线在连接多个从设备时的性能。
• 噪声和抗干扰测试：评估SPI总线对电磁干扰的抵抗能力。
• 电源稳定性测试：确保SPI总线在不同电源条件下的稳定性。

SPI的板级测试

SPI的板级测试步骤

板级测试通常包括以下步骤：

1. 硬件连接：确保SPI总线上的所有设备正确连接。
2. 信号完整性测试：使用示波器等工具测试SCLK、MOSI、MISO线上的信号质量。
3. 通信测试：通过软件发送数据并接收，验证数据的正确性。
4. 时序测试：确保数据传输的时序符合SPI协议要求。
5. 故障模拟：模拟一些故障情况，如断线、短路等，测试系统的容错能力。

SPI的板级测试标准

SPI总线的测试标准主要围绕信号质量和信号完整性展开，以确保通信的可靠性和稳定性。以下是一些关键的测试原则和标准：

1. 信号幅度测试：确保SPI总线上信号的幅度在规定的范围内，满足设备的要求。这包括信号的最大电平、最小电平、幅度以及高低电平的平均值等。
2. 时序测试：测试信号的时序是否满足规定的时钟频率和数据传输速率要求，保证信号的传输速度和时钟同步。时序测试包括SCLK频率、数据的建立时间和保持时间等。
3. 噪声测试：检查SPI总线上是否存在干扰信号或电磁噪声，确保信号的清晰度和稳定性。
4. 电平测试：测试包括幅值、过冲和下冲等。规格书一般会在首页列出SPI通信协议的电平范围，结合逻辑低电平的最大值和高电平的最小值等标准，判断所测数据是否满足要求。
5. 信号完整性测试：包括信号线的高低电平脉宽、频率、建立时间和保持时间。测量时序时取信号中间点，以避免引入不必要的误差。
6. 硬件和软件配置：在硬件层面，SPI接口的配置包括时钟极性（CPOL）、时钟相位（CPHA）、主从模式、数据线的配置等 。软件层面，需要编写相应的驱动程序来控制SPI通信，包括初始化配置和数据交换函数。
7. 实际波形测试：使用示波器等设备捕获SPI通信的实际波形，分析信号的稳定性和时序准确性，确保与数据手册中定义的标准一致。
   在进行SPI通信测试时，应严格参照产品数据手册中的规格要求，包括信号幅度、时序要求等，以确保SPI总线通信的准确性和稳定性。

SPI协议的升级版，如Dual SPI、Quad SPI和QPI，通过增加数据线位数来提高数据传输效率，已经被许多Flash厂家支持。此外，SPI接口也支持多从机模式，可以通过多片选或菊花链方式连接多个从设备，但需要注意信号的优先级和链路的稳定性。

总的来说，SPI是一种灵活、高效的通信协议，适用于多种应用场景，但设计者需要根据具体的应用需求和设备特性来选择合适的SPI模式和配置。