2024-06-07碼農

一文掌握SPI協定：嵌入式系統中的高速數據傳輸

在嵌入式系統的設計與開發中， SPI （Serial Peripheral Interface）協定扮演著至關重要的角色，它是一種高速的、同步的通訊協定，被廣泛套用於微控制器與其外圍裝置之間的通訊。本文旨在深入探討 SPI 協定的核心概念、工作原理以及在實際套用中的編程與偵錯技巧。

1. SPI協定簡介

SPI 協定由摩托羅拉公司在20世紀80年代初期開發，用於控制器和外圍裝置之間的快速數據交換。它主要特點包括高速、全雙工的數據傳輸能力和簡單的硬體介面需求。在許多嵌入式系統，如傳感器網路、數位訊號處理系統和汽車通訊網路中， SPI 提供了一種高效且可靠的解決方案。

1.1 重要性

在嵌入式系統中，處理器通常需要與多種外圍裝置（如傳感器、記憶體、顯視器等）進行數據交換。 SPI 協定以其高速效能和硬體實作的簡單性，成為了連線這些裝置的首選方式之一。它支持內送流量備援容錯機制裝置和多從裝置的配置，極大地增強了系統的靈活性和擴充套件性。

2. SPI的工作原理

SPI 通訊協定基於主從架構，其中一個裝置充當主裝置（Master），負責控制通訊的時鐘訊號，而其他一個或多個裝置作為從裝置（Slave），響應主裝置的指令。

2.1 主從裝置的角色

• 主裝置 ：生成時鐘訊號（SCK），並透過數據線（MOSI）發送數據到從裝置。主裝置還可以接收從裝置透過另一數據線（MISO）回傳的數據。

• 從裝置 ：接收主裝置的時鐘訊號和數據，根據需要返回數據。

2.2 通訊流程

在 SPI 通訊過程中，主裝置首先啟動時鐘，生成一個連續的時鐘脈沖。數據的發送和接收都是在時鐘訊號的邊沿同步進行的，這意味著每一個時鐘脈沖都可能伴隨一位數據的發送或接收。

3. 硬體介面和訊號線配置

SPI 介面通常包括四根主要的訊號線：

• SCK（Serial Clock） ：由主裝置控制的時鐘線。

• MOSI（Master Output, Slave Input） ：數據輸出線，用於主裝置向從裝置發送數據。

• MISO（Master Input, Slave Output） ：數據輸入線，用於從裝置向主裝置發送數據。

• SS（Slave Select） ：從裝置選擇訊號，由主裝置控制，用於啟用特定的從裝置。

每個從裝置都需要一個獨立的SS線，這是 SPI 協定在連線多個從裝置時的一個重要考慮。

3.1 訊號完整性

在設計 SPI 硬體介面時，訊號完整性是一個重要的考慮因素。高速訊號容易受到路徑長度、幹擾及其它電氣特性的影響。為了保證數據傳輸的可靠性，設計時需要考慮適當的訊號終端和布線規範。

4. SPI通訊編程範例

為了更好地理解 SPI 協定的編程實踐，下面提供一個基於 C 語言的簡單範例，演示如何設定 SPI 通訊並行送數據。

#include<avr/io.h>voidSPI_MasterInit(void){// 設定 MOSI 和 SCK 輸出, 其他都是輸入 DDRB = (1<<DDB5)|(1<<DDB7);// 啟用 SPI, 主模式, 設定時脈 fck/16 SPCR = (1<<SPE)|(1<<MSTR)|(1<<SPR0);}voidSPI_MasterTransmit(char cData){// 開始傳輸 SPDR = cData;// 等待傳輸完成while(!(SPSR & (1<<SPIF)));}intmain(void){ SPI_MasterInit(); SPI_MasterTransmit('A');while(1);return0;}