Synchronous Serial Port 协议详解

1、简介

Synchronous Serial Port (SSP) ，基于下图文档的设计标准

1.1、包罗3种数据帧格式：

• a Motorola SPI-compatible interface（以下简称SPI）
  
• a Texas Instruments synchronous serial interface（简写SSI，以下简称SSP格式）
  
• a National Semiconductor Microwire interface（以下简称Microwire）
  

1.2、共同点：

• 都用4根线，CS、TXD、RXD、CLK
  
• 都有master和slave模式
  

1.3、差异点：

• SSP的CS由一个时钟周期的高电平脉冲表现开始，SPI和Microwire的CS是拉低有效，SSP的章节会详细展开
  
• SPI比SSP和Microwire更为灵活，相位、极性可配，SPI的章节会详细展开
  
• Microwire必要设置方向，告知发送照旧吸取；SSP和SPI，写数据寄存器就是发送，读数据寄存器就是吸取；SPI的章节会详细展开
  

2、SPI（Motorola SPI-compatible interface）

• SPI是一种同步的全双工通信协议，TXD和RXD可以同时工作。
  
• 时钟由主机产生。
  
• 支持一个master对多个slave，CS拉低控制哪个slave被选中。
  
• 支持各种bit宽度的帧格式，一帧一般小于即是32bit。
  
• 有多种工作模式，只发、只收、同时收发等。
  
• 时钟极性和相位可设置，极性决定空闲时CLK的电平高低，相位决定第几个时钟沿采样数据
  

2.1、毗连线

• CS：片选线，也叫SS，拉低后开始传输，拉高后结束传输，支持发多帧数据时CS一直拉低，支持每帧以CS拉低开始CS拉高结束
  
• CLK：时钟由master提供，支持的频率很宽泛
  
• TXD：发送脚，又名MOSI，master输出脚接slave输入脚。TXD接对测设备RXD。
  
• RXD：吸取脚，又名叫MISO，master输入脚接slave输出脚。RXD接对测设备TXD。
  

对接方式如下图：

2.2、传输模式

（1）、只发不收

• 只用到TXD，CS和CLK这3根线，顾名思义，只发送数据，不吸取数据
  
• 控制LCD屏幕，会用到只发不收模式，LCD屏只吸取控制命令数据。
  
• 例如下图，发送1帧数据，0x15BF的数据宽度为13bit
  
• 注意：数据一般是先发送高位，有些控制器巨细端可配
  

（2）、同时收发

• 4根线都会用到，发送数据的同时也在吸取数据
  
• 控制FLASH、EEPROM，会用到此模式。FLASH吸取到命令后延时一段时间，才会返回真实的数据，所以master必要发几帧无效的数据，等候slave返回真实值。
  
• 例如下图，读FLASH设备ID，发送1帧命令+4帧dummy，吸取5帧数据，数据宽度为8bit
  
• 发送数据为：0xAB、0xFF、0xFF、0xFF、0xFF（命令：0xAB）
  
• 吸取的数据为：0xFF、0xFF、0xFF、0xFF、0x17（FLASH ID：0x17）
  

（3）、只收不发

• 只用到RXD，CS和CLK这3根线，只吸取数据，不发送数据
  
• 比如作为slave模式时，只吸取master发来的数据
  
• 波形和只发不收模式雷同，master的TXD接到slave的RXD
  

2.3、CS的多种实现方式

（1）、用GPIO模式CS脚

• 有些SPI控制器规定，在TXFIFO发空后，CS会被拉高，CLK时钟也会停止。对于FLASH这种器件，必要先发送死令，再吸取数据的需求就不能满足，不可能TXD一直在发送dummy byte，尤其是读大量数据时。那么CS就可以复用成GPIO功能，或用别的一个GPIO代替。
  
• 必要CS拉低时，GPIO输出低
  
• 必要CS拉高时，GPIO输出高
  
• 这必要熟读FLASH手册，且软件操作相对复杂
  
• 例如ST的示例代码，就是用GPIO模仿CS，可以得到同时收发模式的波形：
  

1. u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
2. {
3.   u32 Temp = 0;
5.   /* GPIO 输出低，Select the FLASH: Chip Select low */
6.   SPI_FLASH_CS_LOW();
8.   /* Send "RDID " instruction */
9.   SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);
10.   SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
11.   SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
12.   SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
13.   
14.   /* Read a byte from the FLASH */
15.   Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
17.   /* GPIO 输出高，Deselect the FLASH: Chip Select high */
18.   SPI_FLASH_CS_HIGH();
20.   return Temp;
21. }

复制代码

（2）、SPI自带的CS功能

• 缺点TXFIFO发空后CS就拉高了
  
• 连续发送多个数据之后（在TXFIFO阈值内），再查询TXFIFO满状态，保证一直有数据可发
  
• 通常这种方式只实用于同时收发模式，发送的同时也把数据收了。
  
• 不肯定能保持一直拉低的效果，必要抓波形确认。
  
• 下图是CS每帧都拉高的情况：
  

• 大概使用DMA，事先把全部数据都准备好，一次性发完，就可以保证CS一直拉低。
  

2.4、SPI的相位和极性

• CPOL，clock polarity，极性，决定空闲时CLK电平高低
  
• CPHA，clock phase，相位，决定第几个时钟沿采样数据，有2种相位情况
  （1）、第1个时钟沿采样，第2个时钟沿数据正在改变
  （2）、第1个时钟沿数据正在改变，第2个时钟沿采样
  
• 至于第1个时钟沿是上升沿照旧降落沿，由时钟极性决定
  
• 采样数据时，数据线上的电平值是稳定的，高电平表现1，低电平表现0
  
• 发送数据时，数据正在发生改变，由0变1，或1变0
  

（1）、CLK空闲时为高电平，第1个时钟沿采样数据

• 下图的CS空闲时为高电平
  
• 第1个时钟沿（上升沿）采样数据，第2个时钟沿（降落沿）数据正在改变
  
• 后续数据都是按上升沿采样，降落沿数据改变
  

（2）、CLK空闲时为低电平，第1个时钟沿采样数据

• 第1个沿为上升沿，第2个沿为降落沿
  

（3）、CLK空闲时为高电平，第2个时钟沿采样数据

和（1）雷同，只是变成了第2个时钟沿采样数据
（4）、CLK空闲时为低电平，第2个时钟沿采样数据

和（2）雷同，只是变成了第2个时钟沿采样数据
3、SSP（Texas Instruments synchronous serial interface）

• 特性和SPI雷同
  
• 相位和极性是固定的不可选
  
• 最显著的差异点是，SSP的片选信号为脉冲信号，高有效。一个时钟周期的高电平表现传输开始，接下来CS会拉低，接着发送数据。
  
• 下图可以直观的相识SSP的传输原理
  

• 实在有点特别，逻辑分析仪没有解析的方法，不过也不复杂
  
• CS先发一个周期高电平，发送完一帧数据，CS再发一个周期高电平，再发下一帧数据
  
• 下图表现帧结束的波形，CS保持低电平状态：
  

4、Microwire（National Semiconductor Microwire interface）

• 相对于SSI和SSP来说，Microwire只是半双工协议，不能同时收发
  
• 波形和SPI雷同
  
• TXD发送期间，RXD无效
  
• RXD吸取期间，TXD无效
  
• 从功能上来说和用SPI控制FLASH一样，必要先发命令，再发数据或吸取数据
  
• 发完命令再吸取数据，会有一个dummy bit的等候时间才采样RXD数据
  

• 和SPI的同时收发模式对比，Microwire先发送控制命令0xAB，再吸取4个字节，也能读到FLASH ID
  
• Microwire因为会延后1个dummy bit才采样RXD数据的原因，数据做如下说明：
  

1. 波形上显示读到的数据为： 0xFF、0xFF、0xFF、0x17
2. 实际FIFO读到的数据为： 0xFF、0xFF、0xFE、0x2E
3. FIFO的数据需要往右移动1位才是FLASH ID值：0x2E >> 1 = 0x17

复制代码

• 支持Microwire协议的设备，吸取到命令后，默认延后1个dummy bit才返回数据。但FLASH一般不会，用Microwire控制flash，必要对FIFO数据做移位操作。
  

5、slave模式说明

• 上述章节描述的都是master模式下的功能，slave模式和master雷同，但也有必要注意的地方
  
• slave支持只收、同时收发等模式
  
• 因为CLK由master提供，必要2端共同传输。slave吸取到数据之后，才会往外发送数据，所以会有1~2个dummy byte的延迟，master才会收到数据。详细延迟多少，可以抓波形确认。
  
• 例如SSP帧格式，2个控制器master、slave都设置为同时收发模式，下图为2端交互的波形
  

• 上图可以看到，master在发完0xFF之后，slave才开始发送第1个数据0x00，是为了完成同步，所以多发了一个0xFF，那么为了末了不丢数据，也要多吸取一个字节
  
• 例如收发256个字节：
  

1. master向slave发送0x00 ~ 0xFF，依次加1
2. slave向master发送0xFF ~ 0x00，依次减1

复制代码

• 假如不做同步，只收发256个字节，master吸取slave发来的数据时，会出现前2个字节都为0，末了还有2个字节充公完的情况：
  

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