iT邦幫忙

第 12 屆 iT 邦幫忙鐵人賽

DAY 13
1
IoT

Modern Maker : 從那些 Maker 的大小事看 Linux 核心系列 第 13

Day 13:SPI (Part 1) - 原來是 Shift Register 啊!我還以為是 SPI 呢!

關於 SPI ,2017 年的 ELC 有一個 Groking the Linux SPI Subsystem 的演講,對 SPI 的規格與核心的 SPI 的規格,以及核心中對應的子系統做了詳細的介紹。除此之外,2020 年的 OSS NA 中,也有一個 Introduction to I2C and SPI: Both In-kernel and In-userspace 演講,裡面也有介紹 SPI 子系統 (但我覺得前者介紹的比較詳細)。

文件方面,核心文件中的 Serial Peripheral Interface (SPI) 一節就是專門介紹 SPI 的章節,雖然內容相對來說少了很多。而關於 Raspberry Pi 相關的 SPI 介紹,可以在文件中的 SPI 一節中找到敘述。裡面包含了腳位配置、可以用的 Python 函式庫,以及可能的除錯技巧等等。

簡介

有人戲稱 SPI 協定是 "A glorified shift register (with side effects)"。而事情確實也看起來是這個樣子。

SPI 由 4 個部分組成:MOSIMISOSCLKSS。雖然最基本只要 4 條線,但實際上不同的硬體上有很多不同的變形。比如說 nrf24l01 雖然是用 SPI 傳輸,但除了 SPI 以外還需要更多腳位來進行額外的配置; 而有的使用 SPI 介面傳輸的電子紙,除了 SPI 的 4 個部分之外,還會有重設、忙碌、控制等等的腳位。除此之外,核心文件中的 Overview of Linux kernel SPI support 一節也提醒 SPI 有一堆變形 (比如:把 MOSI 跟 MISP 合併,但是只能做到半雙工的版本)。相較之下,使用 I2C 的設備大部分使用 SDA 跟 SCL 兩條線就足夠。

選擇輸出:SS

SSSlave Select 的縮寫,顧名思義就是選擇要輸出給誰。有時候會叫做 CS (Chip Select)。而傳輸要開始的第一步,就是把對應的 SS 拉低。過程大致上像這樣:

  1. masterslave 所對應的 SS 拉低。
  2. 開始傳資料:master 用 MOSI 傳資料給 slave; 而 slave 用 MISO 傳給 master
  3. 結束時把 slave 對應的 SS 拉高。

要跟哪一個 slave 進行傳輸,就把誰的 SS 拉低。比如說現在有 3 個 slave,現在要依序對 SS1SS2SS3 進行傳輸,那就依序把 3 裝置對應的 SS (圖中用 SS1SS3 表示)拉低,傳輸完之後恢復拉高,再接著拉低接下來要傳輸的那個 slave。就像下面這個樣子:

聽起來很單純,不像 I2C 那樣有 start stateACKNACK 什麼的。不過這同時也是一個缺點:每一個 slave 都需要對應一個 SS 腳位,也就需要額外的硬體。而 I2C 在硬體方面就只要 SDASCL,填個位址就可以多加一個硬體,簡單暴力。

輸入與輸出:MOSI 與 MISO

MOSI:Master Output Slave Input

顧名思義,就是 master 輸出給 slave 會用的線。不過,不同的 datasheet 上會有很多不同的稱呼:SOMISDIDI,有時候甚至會使用 SDA 這種 I2C 的用語。

MISO:Master Input Slave Output

和剛剛類似,只是換成 slave 傳輸資訊給 master。 MOSI 類似,也有一堆其他不同的名字:SOMISDODO,甚至也會叫做 SDA。沒錯,就是兩個都叫 SDA!(不過通常 datasheet 會加上註記說明用處)。

由此可以發現:masterslave 這兩個方向的傳輸有彼此獨立的線,所以可以做到「全雙工」(full duplex) 的傳輸,也就是 master 在講東西時,同時可以聽 slave 那邊傳來什麼東西。

時脈:SCLK

如他的名稱,這個位置對應的訊號,就是傳輸的時脈。不過跟 I2C 不一樣的是:在沒有傳輸時 (也就是 idle 時),時脈的狀態可以設定是高電位,也可以設定是低電位; 而資料傳輸也可以自己選擇要在 時脈的「前半個週期」或「後半個週期」進行傳輸 。而這兩者則是依照 CPOLCPHA 的狀態決定。

CPOL:Clock Pokarity

決定 idle 時,時脈的訊號是維持在高電壓或低電壓。當 CPOL0 時,時脈在沒傳輸資料的時候會維持低電位,; 而當 CPOL1 時,時脈在沒有傳輸資料的時候會維持在高電位。所謂「沒有傳輸資料的時候會維持在高電位」意思是像下面這樣:

可以看到 SCLK 在沒有傳輸時 (最前面與最後面,SS 為高電位、MOSI 沒有資料的部分),維持在高電位。

CPHA:Clock Phase

顧名思義,就是決定在時脈的哪個相位把資料「鎖住」(latch)。CPHA0 的時候,是在時脈的前半個週期鎖住資資料; 而當 SPHA1 的時候,就是時脈的後半個週期鎖住資料。舉例來說:當 CPOL0 時,CPHA 分別為 01 時,對應的傳輸狀態像下面這樣:

另外一方面,當 CPOL0 時,他們所對應的狀態分別像下面這樣:

Mode:上面兩個合在一起

有時候會有另外一個術語叫做 mode,不過這就只是把 CPOLCPHA 兩個位元合在一起變成一個 2 位元的數字:CPAL 在高位,CPHA 在低位。而這 4 種狀態就稱為 SPI 的 mode


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