C51单片机简介与SPI总线

1.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，并且在芯片的引脚上只占用4根线，节约了芯片的引脚，同时为PCB的布局节省了空间，提供了方便，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信的协议，从而完成数据的交换。也就是SPI是一种规定好的通信方式。这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4根线就够基本通信了（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的芯片通信了。

2.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根线：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MO-SI（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是主机数据输入线，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10-37所示。

3.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，这可以通过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，而不再连接其他输入或输出芯片。

4.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根线也可以。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地传输的。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。(www.xing528.com)

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）见表10-9。

图10-37 SPI总线器件间传送数据框图

表10-9 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，从机可以把它拉低被动选为从机，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，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，与普通的串行通信不同，普通的串行通信一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位地传送，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信的控制。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。