SD卡引脚及spi模式基本操作过程
SD卡引脚及spi模式基本操作过程
（摘自网络）
对于SD卡的硬件结构，在官方的文档上有很详细的介绍，如SD卡内的存储器结构、存储单元组织方式等内容。要实现对它的读写，最核心的是它的时序，笔者在经过了实际的测试后，使用51单片机成功实现了对SD卡的扇区读写，并对其读写速度进行了评估。下面先来讲解SD卡的读写时序。
SD卡的引脚定义
SD卡引脚功能详述：
引脚编号
SD模式SPI模式
名称类型描述名称类型描述
1 CD/DAT3 IO或PP 卡检测/
数据线3
#CS I 片选
2 CMD PP 命令/
回应
DI I 数据输入
3 VSS1 S 电源地VSS S 电源地
4 VDD S 电源VDD S 电源
5 CLK I 时钟SCLK I 时钟
6 VSS2 S 电源地VSS2 S 电源地
7 DAT0 IO或PP 数据线0 DO O或PP 数据输出
8 DAT1 IO或PP 数据线1 RSV
9 DAT2 IO或PP 数据线2 RSV
注：S：电源供给I：输入O：采用推拉驱动的输出
PP：采用推拉驱动的输入输出
SD卡SPI模式下与单片机的连接图：
SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut进行数据通信。SD方式时的数据传输速度与SPI方式要快，采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI 方式。这里只对其SPI方式进行介绍。
SPI方式驱动SD卡的方法
SD卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用SPI接口的好处在于，很多单片机内部自带SPI控制器，不光给开发上带来方便，同时也见降低了开发成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能优势，要解决这一问题，就要用SD方式，因为它提供更大的总线数据带宽。SPI接口的选用是在上电初始时向其写入第一个命令时进行的。以下介绍SD卡的驱动方法，只实现简单的扇区读写。
1）命令与数据传输
1. 命令传输
SD卡自身有完备的命令系统，以实现各项操作。命令格式如下：
命令的传输过程采用发送应答机制，过程如下：
每一个命令都有自己命令应答格式。在SPI模式中定义了三种应答格式，如下表所示：字节位含义
1 7 开始位，始终为0
6 参数错误
5 地址错误
4 擦除序列错误
3 CRC错误
2 非法命令
1 擦除复位
0 闲置状态
字节位含义
1 7 开始位，始终为0
6 参数错误
5 地址错误
4 擦除序列错误
3 CRC错误
2 非法命令
1 擦除复位
0 闲置状态
2 7 溢出，CSD覆盖
6 擦除参数
5 写保护非法
4 卡ECC失败
3 卡控制器错误
2 未知错误
1 写保护擦除跳过，锁／解锁失败
0 锁卡
字节位含义
1 7 开始位，始终为0
6 参数错误
5 地址错误
4 擦除序列错误
3 CRC错误
2 非法命令
1 擦除复位
0 闲置状态
2～5 全部操作条件寄存器，高位在前
写命令的例程：
C程序
//-------------------------------------------------------------------------
向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节
//-------------------------------------------------------------------------
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD)
{
unsigned char tmp;
unsigned char retry=0;
unsigned char i;
//禁止SD卡片选
SPI_CS=1;
//发送8个时钟信号
Write_Byte_SD(0xFF);
//使能SD卡片选
SPI_CS=0;
//向SD卡发送6字节命令
for (i=0;i<0x06;i++)
{
Write_Byte_SD(*CMD++);
}
//获得16位的回应
Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.
do
{ //读取后8位
tmp = Read_Byte_SD();
retry++;
}
while((tmp==0xff)&&(retry<100));
return(tmp);
}
初始化
SD卡的初始化是非常重要的，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。在初始化过程中，SPI的时钟不能太快，否则会造初始化失败。在初始化成功后，应尽量提高SPI的速率。在刚开始要先发送至少74个时钟信号，这是必须的。在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功。随后就是写入两个命令CMD0与CMD1，使SD卡进入SPI模式
初始化时序图：
初始化例程：
C程序
//----------------------------------------------------------初始化SD卡到SPI模式
//----------------------------------------------------------unsigned char SD_Init()
{
unsigned char retry,temp;
unsigned char i;
unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95}; SD_Port_Init(); //初始化驱动端口
Init_Flag=1; //将初始化标志置1
for (i=0;i<0x0f;i++)
{
Write_Byte_SD(0xff); //发送至少74个时钟信号
}
//向SD卡发送CMD0
retry=0;
do
{ //为了能够成功写入CMD0,在这里写200次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==200)
{ //超过200次
return(INIT_CMD0_ERROR); //CMD0 Error!
}
}
while(temp!=1); //回应01h，停止写入
//发送CMD1到SD卡
CMD[0] = 0x41; //CMD1
CMD[5] = 0xFF;
retry=0;
do
{ //为了能成功写入CMD1,写100次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==100)
{ //超过100次
return(INIT_CMD1_ERROR); //CMD1 Error!
}
}
while(temp!=0); //回应00h停止写入
Init_Flag=0; //初始化完毕，初始化标志清零
SPI_CS=1; //片选无效
return(0); //初始化成功
}
3）读取CID
CID寄存器存储了SD卡的标识码。每一个卡都有唯一的标识码。CID寄存器长度为128位。它的寄存器结构如下：
名称域数据宽度CID划分生产标识号MID 8 [127:120]
OEM/应用标识OID 16 [119:104] 产品名称PNM 40 [103:64]
产品版本PRV 8 [63:56]
产品序列号PSN 32 [55:24] 保留－ 4 [23:20] 生产日期MDT 12 [19:8]
CRC7校验合CRC 7 [7:1]
未使用，始终为1 － 1 [0:0]
它的读取时序如下：
与此时序相对应的程序如下：
C程序
//------------------------------------------------------------
读取SD卡的CID寄存器 16字节成功返回0
//------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer)
{
//读取CID寄存器的命令
unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
unsigned char temp;
temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
return(temp);
}
读取CSD
CSD（Card-Specific Data）寄存器提供了读写SD卡的一些信息。其中的一些单元可以由用户重新编程。具体的CSD结构如下：
名称域数据宽度单元类型 CSD划分
CSD结构CSD_STRUCTURE 2 R [127:126]
保留- 6 R [125:120]
数据读取时间1 TAAC 8 R [119:112]
NSAC 8 R [111:104]
数据在CLK周期内读取时间
2（NSAC*100）
最大数据传输率TRAN_SPEED 8 R [103:96]
卡命令集合CCC 12 R [95:84]
最大读取数据块长READ_BL_LEN 4 R [83:80]
允许读的部分块READ_BL_PARTIAL 1 R [79:79]
非线写块WRITE_BLK_MISALIGN 1 R [78:78]
非线读块READ_BLK_MISALIGN 1 R [77:77]
DSR条件DSR_IMP 1 R [76:76]
保留- 2 R [75:74]
设备容量C_SIZE 12 R [73:62] 最大读取电流@VDD min VDD_R_CURR_MIN 3 R [61:59] 最大读取电流@VDD max VDD_R_CURR_MAX 3 R [58:56] 最大写电流@VDD min VDD_W_CURR_MIN 3 R [55:53] 最大写电流@VDD max VDD_W_CURR_MAX 3 R [52:50] 设备容量乘子C_SIZE_MULT 3 R [49:47] 擦除单块使能ERASE_BLK_EN 1 R [46:46] 擦除扇区大小SECTOR_SIZE 7 R [45:39] 写保护群大小WP_GRP_SIZE 7 R [38:32] 写保护群使能WP_GRP_ENABLE 1 R [31:31] 保留- 2 R [30:29] 写速度因子R2W_FACTOR 3 R [28:26] 最大写数据块长度WRITE_BL_LEN 4 R [25:22] 允许写的部分部WRITE_BL_PARTIAL 1 R [21:21] 保留- 5 R [20:16] 文件系统群FILE_OFRMAT_GRP 1 R/W [15:15] 拷贝标志COPY 1 R/W [14:14] 永久写保护PERM_WRITE_PROTECT 1 R/W [13:13] 暂时写保护TMP_WRITE_PROTECT 1 R/W [12:12] 文件系统FIL_FORMAT 2 R/W [11:10] 保留- 2 R/W [9:8] CRC CRC 7 R/W [7:1]
未用，始终为1 - 1 [0:0] 读取CSD 的时序：
相应的程序例程如下：
C程序
//-------------------------------------------------------------------
读SD卡的CSD寄存器共16字节返回0说明读取成功
//-------------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer)
{
//读取CSD寄存器的命令
unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
unsigned char temp;
temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
return(temp);
}
4）读取SD卡信息
综合上面对CID与CSD寄存器的读取，可以知道很多关于SD卡的信息，以下程序可以获取这些信息。如下：
//----------------------------------------------------------------------
//返回
// SD卡的容量，单位为M
// sector count and multiplier MB are in
u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT))
// SD卡的名称
//----------------------------------------------------------------------
void SD_get_volume_info()
{
unsigned char i;
unsigned char c_temp[5];
VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf;
vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer;
/读取CSD寄存器
Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat);
//获取总扇区数
vinf->sector_count = sectorBuffer.dat[6] & 0x03;
vinf->sector_count <<= 8;
vinf->sector_count += sectorBuffer.dat[7];
vinf->sector_count <<= 2;
vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6;
// 获取multiplier
vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03;
vinf->sector_multiply <<= 1;
vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;
//获取SD卡的容量
vinf->size_MB = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply);
// get the name of the card
Read_CID_SD(sectorBuffer.dat);
vinf->name[0] = sectorBuffer.dat[3];
vinf->name[1] = sectorBuffer.dat[4];
vinf->name[2] = sectorBuffer.dat[5];
vinf->name[3] = sectorBuffer.dat[6];
vinf->name[4] = sectorBuffer.dat[7];
vinf->name[5] = 0x00; //end flag
}
以上程序将信息装载到一个结构体中，这个结构体的定义如下：
typedef struct SD_VOLUME_INFO
{ //SD/SD Card info
unsigned int size_MB;
unsigned char sector_multiply;
unsigned int sector_count;
unsigned char name[6];
} VOLUME_INFO_TYPE;
扇区读
扇区读是对SD卡驱动的目的之一。SD卡的每一个扇区中有512个字节，一次扇区读操作将把某一个扇区内的512个字节全部读出。过程很简单，先写入命令，在得到相应的回应后，开始数据读取。
扇区读的时序：
扇区读的程序例程：
C程序
unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer)
{
unsigned char retry;
//命令16
unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
unsigned char temp;
//地址变换由逻辑块地址转为字节地址
sector = sector << 9; //sector = sector * 512
CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 );
CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 );
CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );
//将命令16写入SD卡
retry=0;
do
{ //为了保证写入命令一共写100次
temp=Write_Command_MMC(CMD);
retry++;
if(retry==100)
{
return(READ_BLOCK_ERROR); //block write Error!
}
}
while(temp!=0);
//Read Start Byte form MMC/SD-Card (FEh/Start Byte)
//Now data is ready,you can read it out.
while (Read_Byte_MMC() != 0xfe);
readPos=0;
SD_get_data(512,buffer) ; //512字节被读出到buffer中
return 0;
}
其中SD_get_data函数如下：
//---------------------------------------------------------
获取数据到buffer中
//---------------------------------------------------------
void SD_get_data(unsigned int Bytes,unsigned char *buffer)
{
unsigned int j;
for (j=0;j *buffer++ = Read_Byte_SD(); } 扇区写 扇区写是SD卡驱动的另一目的。每次扇区写操作将向SD卡的某个扇区中写入512个字节。过程与扇区读相似，只是数据的方向相反与写入命令不同而已。 扇区写的时序： 扇区写的程序例程： C程序 //----------------------------------------------------------------- 写512个字节到SD卡的某一个扇区中去返回0说明写入成功 //----------------------------------------------------------------- unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer) { unsigned char tmp,retry; unsigned int i; //命令24 unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; addr = addr << 9; //addr = addr * 512 CMD[1] = ((addr & 0xFF000000) >>24 ); CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 ); CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 ); //写命令24到SD卡中去 retry=0; do { //为了可靠写入，写100次 tmp=Write_Command_SD(CMD); retry++; if(retry==100) { return(tmp); //send commamd Error! } } while(tmp!=0); //在写之前先产生100个时钟信号 for (i=0;i<100;i++) { Read_Byte_SD(); } //写入开始字节 Write_Byte_MMC(0xFE); //现在可以写入512个字节 for (i=0;i<512;i++) { Write_Byte_MMC(*Buffer++); } //CRC-Byte Write_Byte_MMC(0xFF); //Dummy CRC Write_Byte_MMC(0xFF); //CRC Code tmp=Read_Byte_MMC(); // read response if((tmp & 0x1F)!=0x05) // 写入的512个字节是未被接受 { SPI_CS=1; return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error! } //等到SD卡不忙为止 //因为数据被接受后，SD卡在向储存阵列中编程数据 while (Read_Byte_MMC()!=0xff){}; //禁止SD卡 SPI_CS=1; return(0); //写入成功 } 此上内容在笔者的实验中都已调试通过。单片机采用STC89LE单片机（SD卡的初始化电压为2.0V~3.6V，操作电压为3.1V~3.5V，因此不能用5V单片机，或进行分压处理），工作于22.1184M的时钟下，由于所采用的单片机中没硬件SPI，采用软件模拟SPI，因此读写速率都较慢。如果要半SD卡应用于音频、视频等要求高速场合，则需要选用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，当然这就需要各位读者对SD模式加以研究，有了SPI模式的基础，SD模式应该不是什么难事 SPI接口设计与实现 SPI(SerialPeripheralInterface)总线是一种同步串行外设接口,它 可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI总线应用广泛,已经成为很多器件的标准配置,可以直接和各个厂家生产的 多种标准外围器件直接接口。其它常用的串行接口还有I2C、UART这 两种接口,这三种接口互有优缺点。与I2C接口相比,SPI接口速度更快、协议更简单、并且是全双工的,但连线也相对多一些。与UART接口相比,SPI更灵活,因为其使用主设备的时钟进行同步,所以两个比特之间 的时间间隔可以是任意的。在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻 址操作,且为全双工通信,显得简单高效。 1SPI总线工作原理 SPI总线一般以主/从模式工作,通常有一个主设备和一个或多个从设备,数据传输由主机控制,典型SPI结构框图如图1所示。SPI总线包含四条信号线,分别是sclk、miso、mosi和cs,其中,sclk为数据传输时钟,由主机产生;miso是从机输出,主机输入数据线;mosi是主机输出, 从机输入数据线;cs是从设备片选信号,由主机控制,当连接多个从设备时,通过该信号选择不同的从设备。SPI总线是按字节发送数据的,主机和从机内部都包含一个8位串行移位寄存器,在时钟信号控制下,寄存 器内的数据由高到低输出至各自的数据线,8个时钟后,两个寄存器内的数据就被交换了。如果只进行写操作,主机只需忽略接收到的字节;反之,若主机要读取从机的一个字节,就必须发送一个空字节来引发从机 的传输。当主机发送一个连续的数据流时,可以进行多字节传输,在这 种传输方式下,从机的片选端必须在整个传输过程中保持低电平。 根据串行同步时钟极性和相位不同,SPI有四种工作方式。时钟极性(CPOL)为0时,同步时钟的空闲状态为低电平,为1时,同步时钟的空闲 状态为高电平。时钟相位(CPHA)为0时,在同步时钟的第一个跳变沿采 样数据,为1时,在同步时钟的第二个跳变沿采样数据。因为主设备时 基于CPLD 的SP I 接口设计 D esign i ng SP I I n terface ba sed on CPLD 何永泰 (楚雄师范学院 楚雄 675000) 【摘 要】 根据SP I 同步串行接口的通信协议,介绍了在X ilinx Coo lR unnct XPLA 3CPLD 中利用V HDL 语言实现SP I 接口的设计原理和编程思想,通过用此接口,使得那些没有SP I 接口功能的微处理器和微控制器,也能通过SP I 接口与外围设备进行数据交换。 【关键词】 SP I 接口,CPLD ,接口扩展,接口设计,串行接口 ABSTRACT A cco rding to comm un icati on p ro toco l of SP I synch ronou s serial in terface ,th is paper p resen ts the design theo ry and p rogramm ing idea of i m p lem en ting SP I in terface w ith V HDL language in X ilinx Coo lR unner XPLA 3CPLD .T h is in terface can be u sed to data exchange w ith peri pheral apparatu s fo r m icrop rocesso r and m icrocon tro ller w h ich have no t SP I in terface functi on .KEYWOR D S SP I in terface ,CPLD ,in terface expan si on ,in terface design ,serial in terface 1 SP I 总线接口协议 SP I (Seri on Perp heral In terface )总线接口是一个 全双工,同步串行数据接口。许多微处理器,微控制器和外部设备具有这个接口。它能够实现在微控制器之间或微控制器与外部设备之间通信。SP I 总线通常有4条线组成,即:串行时钟线(SCK )、主机输出从机输入 线(M O S I )、 主机输入从机输出线(M ISO )和从机选择线SS N 。SCK 靠主机和数据流来驱动。M O S I 数据线从主机输出数据作为从机的输入数据。M ISO 数据线传送从机输出的数据作为主机的输入数据。在大多数情况下,使用一个SP I 作为主机,它控制数据向1个或几个从机传送。主机驱动数据从它的SCK 和M O S I 端到各从机的SCK 和M O S I 端,被选择的从机驱动数据从它的M ISO 端到主机的M ISO 端。SS N 控制线用于从机选择控制。 SCK 的相位和极性能改变SP I 的数据格式,时钟极性CPOL =‘0’,串行数据的移位操作由时钟正脉冲触发,时钟极性CPOL =‘1’,串行数据的移位操作由负脉冲触发;时钟相位CPHA =‘0’, 串行数据的移位 图1 CPHA =‘0’时SP I 的数据转换时序图 操作由时钟脉冲前沿触发,时钟相位CPHA =‘1’,串行数据的移位操作由时钟脉冲后沿触发。时钟相位CPHA =‘0’时SP I 的数据转换时序图如图1所示。 在图1中SCK 信号在第一个SCK 周期中的前半周期无效,在这种模式中,SS 的下降沿示意数据传送的开始,因此,SS 在连续串行字节之间必须被取反和重新申明。时钟相位CPHA =‘1’时SP I 的数据转换时序图如图2所示。 在图2中SCK 信号从无效电平到有效电平的第一边沿意味着在这种模式下数据传送的开始,SS 信号能保持有效的低电平在连续串行字节之间,这种模式用于只有一个主机和一个从机的系统中。 在SP I 传送数据时,8位数据从一个SP I 接口移出时,另一个SP I 接口也开始移出8位数据,这样主机的8位移位寄存器和从机的8位移位寄存器可以被看作是16移位寄存器,16位移位寄存器移动8个位置就实现了在主机和从机之间交换数据。基于CPLD 的SP I 接口设计中,从SP I 总线上接收的数据被保存在一个接收寄存器中,发送的数据被写到一个发送寄存器中 。 图2 CPHA =‘1’时SP I 的数据转换时序图 3 20040414收到,20040724改回 33 何永泰,男,1970年生,讲师,在读硕士,研究方向:电子工程设计。 ? 72?第17卷 第10期 电脑开发与应用 (总497) SPI 串行外设接口总线，最早由Motorola提出，出现在其M68系列单片机中，由于其简单实用，又不牵涉到专利问题，因此许多厂家的设备都支持该接口，广泛应用于外设控制领域。 SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的。但正因为没有确切的版本协议，不同家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法直接互连（需要软件进行必要的修改）。 虽然SPI接口的内容非常简单，但本文仍将就其中的一些容易忽视的问题进行讨论。 SPI ( Serial Peripheral Interface ) SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。 时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI 接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。 SPI接口信号线 SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。 设备选择线SS-（Slave select，或CS-） SS-线用于选择激活某Slave设备，低有效，由Master驱动输出。只有当SS-信号线为低电平时，对应Slave设备的SPI接口才处于工作状态。 SCLK：同步时钟信号线， SCLK用来同步主从设备的数据传输，由Master驱动输出，Slave设备按SCK的步调接收或发送数据。 串行数据线： SPI接口数据线是单向的，共有两根数据线，分别承担Master到Slave、Slave到Master的数据传输；但是不同厂家的数据线命名有差别。 Motorola的经典命名是MOSI和MISO，这是站在信号线的角度来命名的。 MOSI：When master, out line; when slave, in line MISO：When master, in line; when slave, out line 比如MOSI，该线上数据一定是Master流向Slave的。因此在电路板上，Master的MOSI引脚应与Slave的MOSI引脚连接在一起。双方的MISO也应该连在一起，而不是一方的MOSI连接另一方的MISO。 不过，也有一些产家（比如Microchip）是按照类似SDI,SDO的方式来命名，这是站在器件的角度根据数据流向来定义的。 SDI：串行数据输入 SDO：串行数据输出 这种情况下，当Master与Slave连接时，就应该用一方的SDO连接另一个方的SDI。 由于SPI接口数据线是单向的，故电路设计时，数据线连接一定要正确，必然是一方的输出连接另一方的输入。 其实这个问题本来很简单的，但由于不同厂家产品的命名习惯可能不同，因此还需小心，以免低级出错。 数据传输的时序模式 SPI 接口的设计 第二章介绍了模数转换器的可编程控制架构，其中可编程控制功能的实现需要分成两部分：一部分为SPI 接口电路，以及其根据部寄存器存储的数据产生的控制信号；另一部分是具体的电路受控模块。本章将介绍接口与数字逻辑电路的设计，包括应用于本模数转换器的SPI 接口与数字逻辑电路的设计、综合以及仿真验证。 3.1 数据通信接口 3.1.1 串行通信 基本的通信方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信是指数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。 串行通信指要传送的数据或信息按一定的格式编码，然后在单根线上，按位的先后顺序进行传送。接收数据时，每次从单根线上按位接收信息，再把它们拼成一个字符，送给CPU （Central Processing Unit ）做进一步的处理。收发双方必须保持字符同步，以使接收方能从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的一个一个字符。串行通信只需要一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的一种通信方式，它具有通信线少以及传送距离远等优点。 串行通信时，按数据的传送的方向可以分为单工、半双工和全双工等三种方式。 （1）单工（Simplex ）：数据线仅能向一个方向传输数据，两个设备进行通信时，一边只能发送数据，另一边只能接收数据。 （2）半双工（Half Duplex ）：数据可在两个设备间向任一个方向传输，但因为只有一根传输线，故同一时间只能向一个方向传输数据，不能同时收发。 （3）全双工（Full Duplex ）：对数据的两个传输方向采用不同的通路，可以同时发送和接收数据， 串行通信有两种基本工作方式：异步方式和同步方式。采用异步方式（Asynchronous ）时，数据发送的格式如图3-1所示。不发送数据时，数据信号线呈现高电平，处于空闲状态。当有数据要发送时，数据信号线变成低电平，并持续一位的时间，用于表示字符的开始，称为起始位。起始位之后，在信号线上依次出现待发送的每一位字符数据，最低有效位0D 最先出现。采用不同的编码方案，待发送的每个字符的位数就不同。当字符用ASCII 码表示时，数据位占7位（60~D D ）。在数据位的后面有一个奇偶校验位，其后有停止位，用于指示字符的结束。停止位可以是一位也可以是一位半或两位。可见，用异步方式发送一个7位的ASCII 码字符时，实际需发送10位、10.5位或11位信息。如 SPI 串行通信接口是一种常用的标准接口，由于其使用 简单方便且节省系统资源，很多芯片都支持该接口，应用相当广泛[1]。但是现有文献和设计多数仅实现了SPI 接口的基本发送和接收功能，对SPI 接口的时序控制没有进行深入的研究。全功能SPI 接口应具有四种不同的时钟模式，以适应具有不同时序要求的从控制器。文中主要研究SPI 接口的时钟时序，并用具体电路实现具有4种不同极性和相位的时钟，最后通过仿真验证和FPGA 验证[2]。 1SPI 控制器典型结构 SPI 模块中的典型结构是用于通信的主从2个控制器之 间的连接，如图1所示。由串行时钟线（SPICLK ）、主机输入从机输出线（SPISOMI ）、主机输出从机输入线（SPISIMO ）、SPI 选通线（SPISTE ）4条线组成[3]。当CPU 通过译码向主控制器写入要传输的数据时，主控制器通过串行时钟线来启动数据传输，将会在串行时钟线的一个边沿将数据移出移位寄存器，而在串行时钟的另一个边沿将数据锁存在移位寄存器中。 SPI 选通线是SPI 控制器的使能端，可以选择多个从机，实现 一主多从的结构，只要SPI 选通信号将要选的从机处的选通信号变为低电平就能够连接成功。 2 全功能SPI 控制器设计 2.1 SPI 控制器内部结构 SPI 控制器的原理框图如图2所示，其中主要包括：1）SPI 控制器的内部寄存器 SPI 操作控制寄存器（SPICTL ），SPI 状态寄存器（SPISTS ）， SPI 波特率设计寄存器（SPIBRR ），SPI 接收缓冲寄存器 图1 SPI 主从连接Fig.1 Master -slave link 全功能SPI 接口的设计与实现 辛晓宁，孙文强 （沈阳工业大学研究生学院，辽宁沈阳110870） 摘要：SPI （Serial Peripheral Interface ，串行外围接口）是Motorola 公司提出的外围接口协议，它采用一个串行、同步、全双工的通信方式，解决了微处理器和外设之间的串行通信问题，并且可以和多个外设直接通信，具有配置灵活，结构简单等优点。根据全功能SPI 总线的特点，设计的SPI 接口可以最大发送和接收16位数据；在主模式和从模式下SPI 模块的时钟频率最大可以达到系统时钟的1/4，并且在主模式下可以提供具有四种不同相位和极性的时钟供从模块选择；可以同时进行发送和接收操作，拥有中断标志位和溢出中断标志位。关键词：全功能SPI ；时钟极性和相位；串行通信；微处理器；中断控制中图分类号：TP332.3 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）23-0153-04 Design and implementation of full featured SPI master interface XIN Xiao -ning ，SUN Wen -qiang （Graduate School ，Shenyang University of Technology ，Shenyang 110870，China ） Abstract:The SPI put forward by Motorola Company is a full-duplex ，synchronous serial date link that is standard across many microprocessors ，microcontrollers ，and peripherals It enables communication between microprocessors and peripherals and inter -processor communication ，The SPI system is flexible enough to interface directly with numerous commercially available peripherals ，and it also has some excellences such as it can be configured flexibly and it has a simply structure ，and so on.This SPI has 16-bit transmit and receive capability.The maximum transmission rate in both slave mode and master mode is now CLKOUT/4.The SPI can provide four different clocking schemes on the SPICLK pin.It can be sending and receiving at same time.It has SPI interrupt flag and TXBUF full flag. Key words:full function of SPI ；polarity and phase of CLK ；serial communication microprocessor ；interrupt control 收稿日期：2012-08-11 稿件编号：201208039 作者简介：辛晓宁（1965—），男，辽宁沈阳人，博士，教授。研究方向：SOC 集成电路设计。 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷Vol.20第23期No.23 2012年12月Dec.2012 －153－ 基于FPGA的SPI接口设计 SPI是一种在FPGA和其他芯片之间传输数据的简单有效的接口方式。 SPI项目 第一部分：什么是SPI 第二部分：SPI的简单实现 第三部分：应用 第一部分：什么是SPI SPI是允许一个器件同其他一个或多个器件进行通讯的简单接口。 SPI是什么样的？ 首先让我们来看看两个芯片之间的ＳＰＩ接口是如何连接的。 在两个芯片时间通讯时，SPI需要4条连线。 正如你所看到的，他们是SCK、MISO、MOSI以及SSEL。其中一个芯片叫做主控芯片，另一个叫从芯片。 SPI基础 基本特点： 1.同步 2.串行 3.全双工 4.非即插即用 5.一主多从 更多细节： 1.同步时钟有主控芯片产生，每个时钟传输一位数据 2.数据在传输前，首先许要进行并转串，才能用一条线传输 3.两条数据线，一条输入、一条输出 4.主从双方有关于SPI传输的先验知识，如比特顺序、数据长度等 5.数据传输有主控芯片发起，每次只与一个从芯片通讯 SPI是一种同步全双工的通讯接口，每个时钟在两条数据线上各传输一比特数据。 简单的传输 假设在主从芯片之间进行的是8位长度的，高位数据在前的SPI传输，则单个字节的传输在波形上看起来是这样的。 MOSI是主输出线，而MISO则是从输出线。由于SPI是全双工的，所以在时钟沿上两条线同时传输数据。MOSI将数据从主控芯片传输至从芯片，MISO则将从芯片的数据传输到主控芯片。 详细的说是这样的： 1，首先主控芯片使能相应的SSEL信号，通知相应的从芯片数据传输要开始了； 2，主控芯片产生8个SPI时钟周期，并将数据在每个时钟沿发送出去，同时从芯片在也每个时钟沿将数据发送到MISO线上。 3，主控芯片撤销SSEL信号，一次SPI传输结束 多个从芯片的情况 串行显示驱动器PS7219及单片机的SPI接口设计 在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果及状态等等。因此显示器往往是单片机系统必不可少的外部设备之一。常用的显示器有很多种，其中LED（发光二极管显示器）是应用较多的一种，它特别适用于强光和光线极弱的场合。 要使LED显示，必须提供段选码和位选码。传统的硬件译码显示接口广泛采用由中央处理器CPU（如：Intel 8031）扩展I／O口（如：8255），然后再使用逻辑门驱动芯片（如7407等）驱动相应的位码和段码。这种设计，芯片间连线十分复杂，系统工作可靠性不高，已越来越不适应单片机系统集成化、小型化的发展要求。特别是系统并行扩展I／O，其缺点十分明显 （1）连线太多，系统连线复杂，印制板布线不方便； （2）并行总线上挂靠的器件太多，系统工作的稳定性和可靠性低； （3）体积较大，集成度不高。 正是由于上述原因，近年来，各厂家相继开发出了集成度较高、驱动能力较强、驱动位数较多、功能齐全的LED显示驱动器。 本文介绍一种低价位、高性能的多位LED显示驱动器PS7219芯片，以及它与单片机89C51具体的SPI接口设计与应用软件。 1PS7219简介 PS7219是一种新型的串行接口的8位数字静态显示芯片。它是由武汉力源公司新推出的24脚双列直插式芯片，采用流行的同步串行外设接口（SPI），可与任何一种单片机方便接口，并可同时驱动8位LED （或64只独立LED），其引脚图如图1所示。 PS7219内部具有15×8RAM功能控制寄存器，可方便选址，对每位数字可单独控制、刷新、不需重写整个显示器。显示数字亮度可由数字进行控制，每位具有闪烁使能控制位。当引脚CON（13脚）置高电平，可禁止所有显示，达到降低功耗的效果，但同时并不影响对控制寄存器的修改。PS7219还有一个掉电模式、一个允许用户从1位数显示到8位数显示选择的扫描界限寄存器和一个强迫所有LED接通的测试模式。另外，PS7219A型内置一个可靠的uP监控电路，可为外部提供一个脉宽140ms，触发门限典型值为4．63V的高电平复位信号。 如果N个PS7219级联，可实现N×8位LED显示。 2PS7219引脚功能 PS7219引脚功能如表1所示。 一、SPI接口简介 SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为：控制寄存器SPCR，状态寄存器SPSR，数据寄存器SPDR。外围设备FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D 转换器(如图一所示)和MCU等。 图一、ADC中的SPI 二、SPI接口 一个典型的SPI模块的核心部件是一个8位的移位寄存器和一个8位的数据寄存器SPIDR。通过SPI进行数据传送的设备有主SPI和从SPI之分，即SPI传送在一个主SPI和一个从SPI之间进行。图二给出了两个SPI模块相互连接、进行SPI传送的示意图，图左边是一个主SPI，图右边为一个从SPI。 图二、典型SPI示意图 在AN-877应用笔记中，对spi的接口定义与典型spi接口有所不同，AN-877使用一根线SDIO代替了典型SPI的MISO和MOSI，SS接口用CSB代替。图三和图四分别是双线模式下单器件控制（主从一对一）和双线模式下多器件控制（主从一对多）。 图三：主从一对一控制 图四：主从一对多控制 但是原理都一样。主从机之间一般由3个引脚组成：串行时钟引脚（SCLK）、串行数据输入/输出引脚（SDIO）、片选引脚（CSB）。 1、引脚 数据输入/输出（SDIO）：该引脚用作数据的输入/输出，用作输入还是用作输出具体取决于所发送的指令（读或写）以及时序帧中的相对位置（指令周期或数据周期）。在读或写的第一个阶段，该引脚用作输入，将信息传递到内部状态机。如果该命令为读命令，状态机把该引脚（SDIO）变为输出，然后该引脚将数据回传给外部控制器。如果该命令为写命令，该引脚始终用作输入。 串行时钟（SCLK）：SCLK由外部控制器提供，时钟频率最高为25MHZ。所有数据的输入输出都是与SCLK同步的。输入数据在SCLK的上升沿有效，输出数据在SCLK的下降沿有效。 串行接口SPI接口应用设计 2011-12-28 13:24:32| 分类：单片机| 标签：|字号大中小订阅 作者：马潮老师/ 整理：armok / 2005-01-17/ https://www.sodocs.net/doc/279299696.html, 作者：马潮老师/ 整理：armok / 2005-01-17/ https://www.sodocs.net/doc/279299696.html, 使用的同步串行三线SPI接口，可以方便的连接采用SPI通信协议的外围或另一片AVR单片机，实现在短距离内的高速同步通信。ATmega128的SPI采用硬件方式实现面向字节的全双工3线同步通信，支持主机、从机和2种不同极性的SPI时序，通信速率有7种选择，主机方式的最高速率为1/2系统时钟，从机方式最高速率为1/4系统时钟。 ATmega128单片机内部的SPI接口也被用于程序存储器和数据E2PROM的编程下载和上传。但特别需要注意的是，此时SPI的MOSI和MISO接口不再对应PB2、PB3引脚，而是转换到PE0、PE1引脚上（PDI、PDO），其详见第二章中关于程序存储器的串行编程和校验部分的内容。 ATmega128的SPI为硬件接口和传输完成中断申请，所以使用SPI传输数据的有效方法是采用中断方式+数据缓存器的设计方法。在对SPI初始化时，应注意以下几点： .正确选择和设置主机或从机，以及工作模式（极性），数据传输率； .注意传送字节的顺序，是低位优先（LSB First）还是高位优先（MSB Frist）； .正确设置MOSI和MISO接口的输入输出方向，输入引脚使用上拉电阻，可以节省总线上的吊高电阻。 下面一段是SPI主机方式连续发送（接收）字节的例程： #define SIZE 100 unsigned char SPI_rx_buff[SIZE]; unsigned char SPI_tx_buff[SIZE]; unsigned char rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter,rx_buffer_overflow; unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter; #pragma interrupt_handler spi_stc_isr:18 void spi_stc_isr(void) { SPI_rx_buff[rx_wr_index] = SPDR; //从ISP口读出收到的字节 if (++rx_wr_index == SIZE) rx_wr_index = 0; //放入接收缓冲区，并调整队列指针 if (++rx_counter == SIZE) { rx_counter = 0; rx_buffer_overflow = 1; } if (tx_counter) //如果发送缓冲区中有待发的数据 { --tx_counter; 武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告 目录 摘要.................................................................................. I Abstract ............................................................................. II 1 绪论.. (3) 1.1课题研究背景 (3) 1.2 SPI研究目的及意义 (4) 1.3 本章小结 (4) 2 SPI原理分析 (5) 2.1 SPI介绍 (5) 2.2 SPI工作模式 (6) 2.3 SPI传输模式 (6) 2.4 SPI协议 (7) 2.5 本章小结 (8) 3 方案论证 (10) 3.1在51系列单片机系统中实现 (10) 3.2 用可编程逻辑器件设计SPI (11) 3.3 本章小结 (11) 4 SPI的电路设计 (12) 4.1 SPI设计系统的功能 (12) 4.2 SPI各部分具体实现 (12) 4.2.2 SPI系统中所用的寄存器 (13) 4.2.3 SPI速率控制 (14) 4.2.4 SPI控制状态机 (14) 4.2.5 SPI程序设计流程图 (15) 4.3 SPI仿真及开发板上调试验证分析 (16) 4.3.1 仿真分析 (16) 4.3.2开发板上调试 (18) 4.4 本章小结 (20) 5 论文总结 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23) 附录1 (24) 附录2 (28) 摘要 随着专用集成电路（ASIC)设计技术的进步以及超大规模集成电路（VLSI)工艺技术的飞速发展，以及其价格的日益降低，采用FPGA编程的硬件电路来实现诸如SPI接口也日益切实可行，相对软件实现具有更好的优点。SPI接口是一种常用的标准接口，由于其使用简单方便且节省系统资源，很多芯片都支持该接口，SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间等等。 由于SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的，但正因为没有确切的版本协议，不同厂家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法互联（需要用软件进行必要的修改）。本文基于一种使用较为普遍的协议来进行设计，并参照Motorola公司的MC68HC11A8单片机中的SPI模块定义来设计的简化的SPI接口，用Verilog语言进行编写设计，并在ISE 软件上进行设计仿真，并在基于Xlinx公司的Spartan-3E芯片的Digilent公司出品的Nexys2开发板上用在线逻辑分析仪chipscope进行板上调试验证观察结果，并完成实现功能，并具有一些独创性的设计。 关键词：FPGA Verilog SPI协议 chipscope ISE SPI 接口的设计 第二章介绍了模数转换器的可编程控制架构，其中可编程控制功能的实现需要分成两部分：一部分为SPI 接口电路，以及其根据部寄存器存储的数据产生的控制信号；另一部分是具体的电路受控模块。本章将介绍接口与数字逻辑电路的设计，包括应用于本模数转换器的SPI 接口与数字逻辑电路的设计、综合以及仿真验证。 3.1 数据通信接口 3.1.1 串行通信 基本的通信方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信是指数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。 串行通信指要传送的数据或信息按一定的格式编码，然后在单根线上，按位的先后顺序进行传送。接收数据时，每次从单根线上按位接收信息，再把它们拼成一个字符，送给CPU( Central Processing Unit )做进一步的处理。收发双 方必须保持字符同步，以使接收方能从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的一个一个字符。串行通信只需要一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的一种通信方式，它具有通信线少以及传送距离远等优点。 串行通信时，按数据的传送的方向可以分为单工、半双工和全双工等三种方式。 ( 1 )单工( Simplex )：数据线仅能向一个方向传输数据，两个设备进行通信时，一边只能发送数据，另一边只能接收数据。 ( 2 )半双工( Half Duplex )：数据可在两个设备间向任一个方向传输，但因为只有一根传输线，故同一时间只能向一个方向传输数据，不能同时收发。 ( 3 )全双工( Full Duplex )：对数据的两个传输方向采用不同的通路，可以同时发送和接收数据， 串行通信有两种基本工作方式：异步方式和同步方式。采用异步方式 ( Asynchronous )时，数据发送的格式如图3-1 所示。不发送数据时，数据信号线呈现高电平，处于空闲状态。当有数据要发送时，数据信号线变成低电平，并持续一位的时间，用于表示字符的开始，称为起始位。起始位之后，在信号线上依次出现待发送的每一位字符数据，最低有效位D0 最先出现。采用不同的编 码方案，待发送的每个字符的位数就不同。当字符用ASCII 码表示时，数据位占7 位( D0 ~ D6 )。在数据位的后面有一个奇偶校验位，其后有停止位，用于指示字符的结束。停止位可以是一位也可以是一位半或两位。可见，用异步方式发送一个7 位的ASCII 码字符时，实际需发送10 位、10.5 位或11 位信息。如 SPI接口及应用 摘要:为解决I/O口数据传输的速率问题，提出SPI接口的单线应用方案，分析该方法的可行性，并在单片机ADuC812与射频无线通信模块nRF2401间的接口设计中得到了应用，验证该方案的有效性。该方案具有电路设计简单、数据传输速率高等优点。 1 SPI通信 SPI接口的全称 "Serial Peripheral Interface" 意为串行外围接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。 SPI接口一种同步串行外设接口，有信号线少、协议简单、传输速度快的特点，因此有不少外围器件都采用SPI总线，如Flash RAM、A/ D转换器、LED显示器、MCU以及计算机网络等。 MCU中的SPI接口通过配置可与各个厂家生产的多种标准外围器件直接连接。 SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,地位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比I2C总线要快,速度可达到几Mbps。 SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,其接口包括以下四种信号： （1）MOSI －主器件数据输出,从器件数据输入 （2）MISO －主器件数据输入,从器件数据输出 （3）SCLK －时钟信号,由主器件产生 （4）/SS －从器件使能信号,由主器件控制 SPI信号线:一般的SPI接口使用4条信号线与外围设备接口，其具体功能如下： SCLOCK：主机的时钟线，为数据的发送和接收提供同步时钟信号。每一位数据的传输都需要1次时钟作用，因而发送或接收1个字节的数据都需要8个时钟作用。主机的时钟可以通过固件进行设置，并和从机的时钟线相连。 MISO：主机输入/从机输出数据线。主机的MOSO应与从机的发送数据端相连，进行高位在前的数据交换。 SS：低电平有效的从机选择线。当该线置低时，才能跟从机进行通信。 SPI工作模式:SPI的工作模式分为：主模式和从模式。 主模式的特点是不论发送还是接收始终有SCLOCK信号，SS信号不是必需的，由于SPI只能有一个主机，因而不存在主机的选择问题。 从模式的特点是无论发送还是接收必须在时钟信号SCLOCK的作用下才能进行，并且SS信号必须有效。 不论是在主模式下还是在从模式下，都要在时钟极性和时钟相位的配合下才能有效的完SPI接口设计与实现
基于CPLD的SPI接口设计
SPI接口详细说明
spi_和接口设计
全功能SPI接口的设计与实现
基于FPGA的SPI接口设计
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串行接口SPI接口应用设计
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