SPI串行总线协议
SPI串行总线协议
一、SPI接口简介
SPI总线系统作为同步的一种串行外设接口，在电子设备中被广泛采用。它能够使微控制器（MCU）与各类外围设备通过串行方式进行高效的信息交流。这种总线系统通常由四根引脚组成：SCLK引脚用于发送接收时钟信号；MISO引脚包括主机输入端子MI和从机输出端子SO；MOSI引脚包括主机输出端子MO和从机输入端子SI；SS引脚用于选择操作。主要包含四根引脚：S_CLK、M_ISO、M_OS以及SS等关键功能模块。
SPI采用环形总线架构，在SS（CS）、SCK、SDI和SDO的配置下完成基本功能。其时序流程较为简单，在受控于SCK的情况下，通过两个双向移位寄存器完成信息传输过程。
主要概括为：
上升沿发送、下降沿接受，高位在前、低位在后；
当上升沿到达时，在单总线接口（SDO）电平会通过由设备的数据寄存器传输至系统控制器；而当下降沿到达时，在双总线接口（SDI）电平则会被接收至主设备的数据寄存器。
处于主从机就绪状态的主机和从机配置如下：主机sbuff设置为0xaa（二进制为1010101010），从机sbuff设置为0x55（二进制为0101 56），数据将遵循SPI协议的传输流程进行处理
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脉冲 主机sbuff 从机sbuff sdi sdo
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0 00-0 10101010 01010101 0 0
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1 0--1 0101010x 10101011 0 1
1 1--0 01010100 10101011 0 1
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2 0--1 1010100x 01010110 1 0
2 1--0 10101001 01010110 1 0
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3 0--1 0101001x 10101101 0 1
3 1--0 01010010 10101101 0 1
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4 0--1 1010010x 01011010 1 0
4 1--0 10100101 01011010 1 0
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5 0--1 0100101x 10110101 0 1
5 1--0 01001010 10110101 0 1
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6 0--1 1001010x 01101010 1 0
6 1--0 10010101 01101010 1 0
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7 0--1 0010101x 11010101 0 1
7 1--0 00101010 11010101 0 1
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8 0--1 0101010x 10101010 1 0
8 1--0 01010101 10101010 1 0
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其中：0－1表示上升沿、1－0表示下降沿；SDI、SDO是相对于主机来说的。
在0脉冲时刻，在主机sbuff中存储了二进制数10101010，在从机sbuff中存储了二进制数01010101；当第一个上升沿到来时，在主机端执行（从机端响应）操作：将主机sbuff中的最高有效位"1"传输至SDO端口；随后于第一个下降沿到来时，在从机端执行（主机端接收）操作：将SDO中捕获到的"1"值移入到从机sbuff的最低有效位位置上。此时从机sbuff变为十进制数值为93（二进制表示为 ）；第二个上升沿到来时，在主机端再次执行（从机端响应）操作：将主机sbuff中的最高有效位"0"传输至SDO端口；紧接着第二个下降沿到来时，在从机端执行（主机端接收）操作：将SDO中捕获到的" "值移入到从机sbuff的最低有效位位置上。经过八个完整的时钟周期后完成数据接收
二、8051与74HC595应用
在验证 SPI 总线的过程中，在确保系统正常运行的前提下，并联使用 8051 和 74HC595（一种支持8位串行输入/输出或并行输出移位功能的芯片）来实现流水灯效果。
电路图如下所示：
74HC595引脚功能：
74595的数据端：
Q0—Q7: 八位并行输出端
Q7’: 级联输出端。我将它接下一个595的SI端。
DS: 串行数据输入端。
74595的控制端说明：
SCLR(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常将它接Vcc。
SCK（第十一脚）在上升沿触发时完成数据寄存器的移位操作。通过依次连接的触发点（如Q0→Q1→…→Q7），在下降沿作用下，移位寄存器中的数据保持不变。（对于脉冲宽度的要求，在5伏电压下只需超过数十个纳osecond即可满足需求；而我在实际应用中偏好选择微osecond级别的脉冲宽度）
在74HC12脚型设计中使用D flip-flop实现移位功能时，默认配置下实现的是单比特存储功能。具体来说，在上升沿触发时刻完成一次移位操作后，在相应的触发信号（如RCK）作用下生成一个正向脉冲信号（当输入电压达到5V时，则此脉冲持续时间需超过几十纳秒）。在实际应用中我发现微秒级的配置效果最佳。
OE(13脚): 在高电平期间禁止输出（进入高阻态）。当单片机的引脚较为宽松时，在其中一个引脚上施加控制信号即可实现闪烁与熄灭的效果。相比于通过数据端口移位的方式来控制状态而言，在此方案中无需额外的数据传输操作即可节省时间与能源资源。
三、程序设计
8051 系列单片机通常没有配备 SPI 接口功能；然而，在后续版本中有些型号确实配备了 SPI 接口；因此，在本例中我们采用 8051 模拟器来实现与 MCU 595 的通信；单片机每隔 50ms 发送一个数据块；通过这种方式可以形成流水灯效果；
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
sbit sclk=P2^0; //串行移位时钟
sbit sda=P2^1; //MOSI
sbit clk=P2^2; //595的数据更新脉冲，上升沿有效
void Delay(int n) //延时1ms子程序
{
int x,y;
for(x=0;x<110;x++)
for(y=0;y<n;y++);
}
void send(char byte)
{
char i;
sclk=0;
clk=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
sclk=0;
if(byte&0x80)sda=1;
else sda=0;
byte<<=1;
nop(); //延时，用来控制SPI时钟频率
nop();
sclk=1;
nop();
nop();
nop();
}
clk=1;
}
void main ()
{
char i=0;
while(1)
{
for(i=0;i<8;i++) //去
{
send(~(1<<i));
Delay(50);
}
for(i=6;i>0;i--) //回
{
send(~(1<<i));
Delay(50);
}
}
}