理解ATE SPI (串行外设接口)

理解ATE SPI (串行外设接口)

大多数Maxim® ATE设计都采用了一个串行接口，以便从外部控制器件。这种串行接口正在成为一种重要且非常有用的功能，但也可能是较难理解的部分之一。本应用笔记介绍了Maxim ATE SPI™接口，并阐述了系统架构设计方法。从时序图可以看出如何对该接口进行编程。

串行外设接口(SPI)的基础

SPI是一种同步数据链路协议，其构想最初由Motorola®提出。按照主/从模式进行通信，其中主控设备启动与一个或多个从设备之间的通信，在器件之间交换数据。SPI接口已经演化出了许多不同结构，但它们都采用公用的一组控制信号和输出。最简单的方法是基于移位寄存器的3线设计，如图1所示。信号定义如下：

• SCLK：时钟信号，将DIN (数据)按时序移入移位寄存器
• DIN：移入移位寄存器的数据
• DOUT：移出移位寄存器的数据

图1. 8位SPI接口简图

SPI接口(图1)的基本工作原理是将数据(DIN)移入移位寄存器，由SCLK的上升沿或下降沿控制数据移位。一旦数据移入寄存器，移位寄存器的输出即可作为设计中的控制信号。在时钟控制下，数据通过DOUT引脚移出，允许以菊花链形式连接多个接口，控制多个从器件。

Maxim ATE串行接口架构

Maxim的ATE方案在图1所示最简方案的基础上进行扩展，增加了另外三个信号：片选(CS*)、装载(LD*)和复位(RST*)。另外，拓扑更改为双缓存结构。缓存1代表增加的第一级锁存器；缓存2代表第二级锁存器。这种双缓存结构能够在两级之间灵活地传递和锁存数据。我们将探讨这种架构的实现和时序图(分别参见图2和图3)，说明单通道、8位字SPI的工作原理。

单元和信号

8位移位寄存器

图2所示为标准移位寄存器，它具有8个寄存器位(SRBIT0至SRBIT7)。数据(DIN)在SCLK的上升沿移入，移入所有8位数据需要8个时钟信号。数据在第8个时钟周期的下降沿移出(DOUT)。CS也是移位寄存器单元的一个输入。

控制信号译码

控制信号译码电路是一个用户逻辑单元，对SCLK、CS以及数据字中的控制位进行译码，使得第1级锁存器可以保持数据或将数据传递至第2级锁存器。该单元可以设计控制多路第1级锁存器，MAX9979数据资料给出了一个示例，其中第1级输入寄存器和通道选择寄存器都由用户逻辑单元控制。该8位示例中没有控制位，移位寄存器的所有8位传递至第1级锁存器。

8位锁存器

提供两级或两组完全相同的锁存器。该示例采用8位锁存器(SRBIT0至SRBIT7)。锁存器为透明传输，在锁存时钟输入的下降沿将输入数据传递至输出。锁存器输出在锁存时钟的上升沿保持或锁存数据。输出保持锁存状态，直到锁存器时钟输入变为低电平。第1级锁存器的时钟信号为SCLK、CS和控制位的译码信号。第2级锁存器的时钟信号为LD信号。

控制信号线

控制信号线为第2级锁存器输出。它们作为数字控制信号控制器件的内部功能或工作模式。

“低电平有效”

信号CS、LD和RST为“低电平有效”控制信号。“低电平有效”表示信号只有为逻辑低电平时才有效。


图2. 8位字、双缓存SPI接口的简单示例


图3. 8位字SPI示例的详细时序图

工作原理

下文所示时序对应于图2和图3所示的SPI示例。该设计中，选择在时钟的上升沿将信号移入器件，也可以使用下降沿。数据按照从MSB (最高有效位)至LSB (最低有效位)的顺序移入，也可以从LSB至MSB移入，如本应用所示。

• 在SCLK的上升沿将数据移入移位寄存器。
• DIN数据经过8½个时钟周期后，在SCLK的下降沿从接口(通过DOUT)移出。
• CS由SCLK触发控制。在低电平有效的CS下降沿将数据传递至第1级锁存器，并在CS的上升沿锁存至第1级。如果CS保持为高电平，数据仅传送至DOUT，不会出现在第1级锁存器。
• 与LD控制信号异步加载第2级锁存器。如果LD保持为逻辑高电平，则第1级缓存输出不会传递到第2级缓存输出。若LD保持为低电平，第1级缓存输出将直接通过第2级锁存器。在LD控制信号的上升沿锁存第2级输出。
• RST将把串行接口控制信号复位到默认状态。
• 图3所示为所有串行接口输入、输出的详细时序。

SPI接口只有符合具体的时序指标要求才能正常工作。这些指标在器件数据资料中列出。表1定义了图3相应的技术指标，并给出了一些典型值以供参考。

表1. SPI时序要求、定义及典型值

SPI接口的主/从配置

有三种方法实现主/从配置：

1. 一主一从，如图4所示。
2. 一主多从，采用菊花链拓扑结构，如图5所示。
   该方法的优势在于：
   1. 主器件仅需要一个片选引脚。
   2. 以菊花链形式将DOUT引脚连接至下一个从器件的DIN；最后一个从器件的DOUT返回至主器件DIN端口进行读取。
   该方法的缺点是：
   1. 每个从器件没有独立控制信号。
   2. DATA字较长。
   3. 由于必须在触发片选信号之前更新所有从器件，所以更新速度较慢。
3. 一主多从，每片从器件都有其各自的片选引脚，如图6所示。
   该方法的优势在于：
   1. 每个从器件均可独立控制。
   2. 工作速率较快。
   缺点是：
   1. 主器件需要更多的I/O控制引脚。
   2. 如果DOUT不能处于高阻态，则不能回读数据。

图4. 单个主/从SPI接口


图5. 一主多从—菊花链结构，一个片选信号控制所有从器件。


图6. 一主多从—每个从器件都有独立的片选信号。

常见的SPI错误

根据数据资料确定数据是在时钟的正向上升沿还是负向下降沿移入。请注意不要混淆具有不同时钟沿要求的从器件。如果存在不同的时钟要求，请务必在软件或硬件中完成正确的转换。



根据数据资料确定是MSB在前还是LSB在前移入数据。



确保CS在相对于时钟沿的数据字附近正确控制。

如果字长不是8位或单字节的倍数，请务必在字开头或结尾处添加零，以确保以字节的整数倍移入。有些控制器或主器件，一次只能输出1个字节。如果是这种情况，需确保不会将实际数据从从器件中移出。若要控制指定从器件，需确保从器件拥有完整数据。

请不要将多个DOUT连接在一起，除非它们具有高阻态选项。

请仔细阅读数据资料，确定已经理解、掌握从器件的使用细节。“字”可以包含数据、地址和控制位。

请注意，以菊花链连接多个器件可能导致更新速度缓慢。

SCLK信号为高速信号并送至多个位置。确保该信号经过适当缓冲以驱动多个电路，从而避免时序误差。所有驱动多个电路的信号都应该具有足够的驱动能力。

总结

从6个基本信号的角度介绍了Maxim ATE SPI串行接口的基本工作原理和时序，它们分别为：SCLK、CS、DIN、RST、LD和DOUT。RST和LD可选。即使不同电路之间的结构会有所调整，但这6个信号的时序定义了SPI接口的外部工作特性。本文结合6个基本信号，以8位字、双缓存接口为例介绍了SPI的工作原理。该接口是Maxim ATE产品遵循的拓扑结构。查看每个器件的数据资料可以了解不同接口的差异和增强功能，但所有接口都遵循本文所述时序。充分理解本文给出的示例有助于您解读、理解Maxim的许多ATE串行接口。

*注：后缀“” (例如：CS、LD、RST)表示这些引脚为低电平有效。