SPI接口简介 如何减少系统电路板设计中的数字GPIO数量

SPI接口简介 如何减少系统电路板设计中的数字GPIO数量

接口

图1.含主机和从机的SPI配置

4线SPI器件有四个信号：

SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。图1显示了主机和从机之间的SPI连接。

来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。

MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。

数据传输

时钟极性和时钟相位

在SPI中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。在空闲状态期间，CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。表1显示了这4种SPI模式。

图2.SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空闲状态 = 低电平，数据在上升沿采样，并在下降沿移出。

图3.SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空闲状态 = 低电平，数据在下降沿采样，并在上升沿移出。

图4.SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空闲状态 = 高电平，数据在下降沿采样，并在上升沿移出。

图5.SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空闲状态 = 高电平，数据在上升沿采样，并在下降沿移出。

图3给出了SPI模式1的时序图。在此模式下，时钟极性为0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在下降沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升沿移出（由蓝色虚线显示）。

图4给出了SPI模式2的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在下降沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升沿移出（由蓝色虚线显示）。

图5给出了SPI模式3的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为0，表示数据在上升沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的下降沿移出（由蓝色虚线显示）。

多从机配置

多个从机可与单个SPI主机一起使用。从机可以采用常规模式连接，或采用菊花链模式连接。

图6.多从机SPI配置

常规SPI模式：

在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能（拉低）片选信号，MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。

菊花链模式：

图7.多从机SPI菊花链配置

在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。

使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。例如在图7所示的8位系统中，为使第3个从机能够获得数据，需要24个时钟脉冲，而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。图8显示了时钟周期和通过菊花链的数据传播。并非所有SPI器件都支持菊花链模式。请参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。

图8.菊花链配置：数据传播

ADG1412是一款四通道、单刀单掷（SPST）开关，需要四个GPIO连接到每个开关的控制输入。图9显示了微控制器和一个ADG1412之间的连接。

图9.微控制器GPIO用作开关的控制信号。

另一种方法是使用SPI控制的开关。此方法的优点是可减少所需GPIO的数量，并且还能消除外加串行转并行转换器的开销。如图12所示，不需要16个微控制器GPIO，只需要7个微控制器GPIO就可以向4个ADGS1412提供SPI信号。

开关可采用菊花链配置，以进一步优化GPIO数量。在菊花链配置中，无论系统使用多少开关，都只使用主机（微控制器）的四个GPIO。

图10.在多从机配置中，所需GPIO的数量大幅增加。

图11.使用串行转并行转换器的多从机开关

图12.支持SPI的开关节省微控制器GPIO

图13.菊花链配置的SPI开关可进一步优化GPIO。

ADI公司提供多种支持SPI的模拟开关与多路转换器。

参考文献

ADuCM3029数据手册。ADI公司，2017年3月。

Nugent，Stephen。“精密SPI开关配置提高通道密度”。《模拟对话》，2017年5月。

Usach， Miguel。应用笔记AN-1248：SPI接口。ADI公司，2015年9月。

Piyu Dhaker

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