SPI总线测试和分析

1、SPI总线简介
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，20世纪80年代由Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。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。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。其主要特点包括：可以同时发出和接受串行数据；可以作为主机或丛机工作；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护。图1是 SPI总线架构示意图。

图1 SPI 总线架构
SPI是一个环形总线结构，由SS(CS)、SCK、SDI、SDO组成，在主设备和从设备之间双向传输，实现发送和接收数据，最高速率可达5Mbps。由SS（CS）信号来选定与主设备通信的从设备，所以在某时间点内主设备与从设备之间可实现点对点通信，其好处是不需要进行寻址操作。SPI共有4种工作模式，SP0、SP1、SP2、SP3，其中比较常用的是SP0、SP3。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设时钟相位和极性应该一致。图2是SPI 总线4种工作模式时的SCK示意。

图2 SPI总线4种工作模式示意
SPI是一个环形总线结构，其主要工作时序是在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将锁存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。
例子：
假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据

脉冲 主机sbuff 从机sbuff sdi sdo
0 10101010 01010101 0 0
1上 0101010x 1010101x 0 1
1下 01010100 10101011 0 1
2上 1010100x 0101011x 1 0
2下 10101001 01010110 1 0
3上 0101001x 1010110x 0 1
3下 01010010 10101101 0 1
4上 1010010x 0101101x 1 0
4下 10100101 01011010 1 0
5上 0100101x 1011010x 0 1
5下 01001010 10110101 0 1
6上 1001010x 0110101x 1 0
6下 10010101 01101010 1 0
7上 0010101x 1101010x 0 1
7下 00101010 11010101 0 1
8上 0101010x 1010101x 1 0
8下 01010101 10101010 1 0

这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。其中ss引脚作为主机的时候，从机可以把它拉低选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来
2、SPI总线测试的需求
工程师对SPI总线测试和分析的需求主要涵盖以下三个方面：
2.1 了解总线正在发生什么
软件工程师设计了SPI主设备发出的消息内容，但硬件工程师需要确定消息是不是被准确无误的传送到物理线路上，需要了解总线上真正在发生什么。传统的使用示波器的方式是先用探头把信号捕获下来，然后根据电平特点转换成“1”或“0”，然后再去对比SPI协议，将其还原成有意义的消息帧。这种方式费时费力，对工程师的业务能力要求很高，而且仪器使用效率很低。工程师需要仪器能提供一种自动化的方式，直接将采集到的波形翻译成容易识别的内容，再根据不用类别工程师的需求，以不同的方式动态显示在仪器屏幕上。比如硬件工程师可能希望以二进制的方式查看SPI消息内容 ，底层驱动工程师希望以16进制方式分析波形，而应用软件工程师则希望以ASCII文本的方式去了解总线上实际运行的数据内容。