应用简报

串行外设接口 (SPI) 总线是一种广泛使用的同步通信协议、可在控制器器件与一个或多个外设之间实现高速、全双工数据传输。SPI 由 Motorola 于 20 世纪 80 年代开发、现已成为嵌入式系统中外设连接的标准接口。由于其简单性、多功能性和高效性，SPI 已成为工程师设计可靠、高速通信系统时的重要工具。图 1 展示了总线上 SPI 连接的典型示意图。

图 1 SPI 总线示例

SPI 通信通过共享时钟信号实现同步，从而确保数据传输时序的精确性。与集成电路总线 (I2C) 等其他串行协议不同，串行外设接口 (SPI) 没有规定标准的通信格式，因此开发者可根据具体应用需求灵活定制协议参数。表 1 展示了 SPI、I2C 与通用异步收发传输器 (UART) 之间的差异。

SPI 总线架构

SPI 总线的架构较为简单，由一个控制器和一个或多个外设组成。控制器负责发起通信、控制时钟以及选择与之通信的外设。该架构支持三种主要配置：

• 单控制器、单外设：
  • 最简单的设置、其中控制器仅与一个外设通信。
  • 需要四条线路（PICO、POCI、SCLK 和 CS）。
• 单控制器、多外设（独立片选）：
  • 每个外设都有一条专用的片选 (CS) 线。
  • 控制器激活目标外设的 CS 线，而其他外设的 CS 线保持未激活状态。
• 菊花链配置：
  • 外设串联，一个器件的输出馈入为下一个器件的输入。
  • 可减少 CS 线路数量，整个链路仅需一条 CS 线。
  • 在每个时钟周期内，数据通过链中的所有器件移位。
• 3 线 SPI 配置：
  • 将 PICO 和 POCI 线路合并为一条双向数据线路，通常称为数据输入/输出 (DIO)。
  • 该配置将所需线缆减少至三条：SCLK、CS 和 DIO。

数据传输模式

SPI 支持四种工作模式，具体由时钟极性 (CPOL) 和时钟相位 (CPHA) 决定。表 3 所示的这些模式定义了时钟信号的特性以及数据采样的时序。

写入外设

要向寄存器写入数据，控制器需传输一个 24 位字，且 MSB（第 23 位）需设为 0。寄存器地址编码在第 [22:16] 位中，第 [15:8] 位用于选择目标 GPIO 端口或配置多端口模式。最后 8 位 [7:0] 则携带实际要写入的数据。

• 示例：将端口 0 配置为输出
  • 寄存器地址：0x04（方向寄存器）
  • 端口选择：0x00（端口 0）
  • Data: 0xFF（所有引脚均设为输出模式）
• PICO：
  • 第 [23] 位（读写位，R/W）= 0（写入）
  • 第 [22:16] 位（地址位）= 0x04
  • 第 [15:8] 位（端口位）= 0x00
  • 第 [7:0] 位（数据位）= 0xFF
• 最终帧 = 0x0400FF
• POCI 响应：
  • 第 [23:22] 位 = 0x3（表示其为状态段）
  • 第 [21:16] 位：故障状态寄存器
  • 第 [15:8] 位：全为 0
  • 第 [7:0] 位：先前的寄存器数据

从外设读取数据

要从寄存器读取数据，主机需将第 23 位设为 1 并传输目标寄存器地址。低 16 位可填充虚拟数据。在同一传输过程中，TXE8124 会通过 POCI 线返回所寻址寄存器的当前值。

• 示例：从端口1读取 GPIO 输入状态
  • 寄存器地址：0x02（输入端口寄存器）
  • 端口选择：0x01（端口 1）
  • Data: 0x00（虚拟数据）
• PICO：
  • 第 [23] 位（读写位，R/W）= 1（读取）
  • 第 [22:16] 位（地址位）= 0x02
  • 第 [15:8] 位（端口位）= 0x01
  • 第 [7:0] 位（虚拟数据位）= 0x00
• 最终帧 = 0x820100
• POCI 响应：
  • 第 [23:22] 位 = 0x3（表示其为状态段）
  • 第 [21:16] 位：故障状态寄存器
  • 第 [15:8] 位：全为 0
  • 第 [7:0] 位：读取数据

TXE8116/24 的关键时序要求

所有 SPI 事务都必须满足《具有中断输出、复位输入和 I/O 配置寄存器的 TXE81xx-Q1 汽车级 24 位 SPI 总线 I/O 扩展器数据手册》中规定的最低时序约束，以确保通信正常。

注释

• 所有事务均为全双工模式；每个 SPI 时钟周期内，PICO 和 POCI 线上各传输 1 位数据。
• 数据会在 SCLK 的上升沿进行采集，并在下降沿被驱动输出。
• 始终确保在 24 位帧传输期间 CS 信号保持低电平；在帧传输过程中切换 CS 信号可能会导致事务出错。
• 可通过 [15:8] 位中的特定端口位实现多端口寻址。