低速接口之SPI接口，分类，四种模式，特点

SPI是一个环形总线结构，由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
上升沿到来的时候，sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。
下降沿到来的时候，sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口），是Motorola公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输，广泛用于EEPROM、Flash、RTC（实时时钟）、ADC（数模转换器）、DSP（数字信号处理器）以及数字信号解码器上。SPI通信的速度很容易达到好几兆bps，所以可以用SPI总线传输一些未压缩的音频以及压缩的视频。
下图是只有2个chip利用SPI总线进行通信的结构图

可知SPI总线传输只需要4根线就能完成，这四根线的作用分别如下：
SCK(Serial Clock)：SCK是串行时钟线，作用是Master向Slave传输时钟信号，控制数据交换的时机和速率；
MOSI(Master Out Slave in)：在SPI Master上也被称为Tx-channel，作用是SPI主机给SPI从机发送数据；
CS/SS(Chip Select/Slave Select)：作用是SPI Master选择与哪一个SPI Slave通信，低电平表示从机被选中(低电平有效)；
MISO(Master In Slave Out)：在SPI Master上也被称为Rx-channel，作用是SPI主机接收SPI从机传输过来的数据；

SPI总线主要有以下几个特点：

1、采用主从模式（Master-Slave）的控制方式，支持单Master多Slave。SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备Master来控制从设备Slave。也就是说，如果FPGA是主机的情况下，不管是FPGA给芯片发送数据还是从芯片中接收数据，写Verilog逻辑的时候片选信号CS与串行时钟信号SCK必须由FPGA来产生。同时一个Master可以设置多个片选(Chip Select)来控制多个Slave。SPI协议还规定Slave设备的clock由Master通过SCK管脚提供给Slave，Slave本身不能产生或控制clock，没有clock则Slave不能正常工作。单Master多Slave的典型结构如下图所示

2、 SPI总线在传输数据的同时也传输了时钟信号，所以SPI协议是一种同步（Synchronous）传输协议。Master会根据将要交换的数据产生相应的时钟脉冲，组成时钟信号，时钟信号通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)控制两个SPI设备何时交换数据以及何时对接收数据进行采样，保证数据在两个设备之间是同步传输的。
3、 SPI总线协议是一种全双工的串行通信协议，数据传输时高位在前，低位在后。SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅充当一个发送者（Transmitter）或者接受者（Receiver）。在片选信号CS为0的情况下，每个clock周期内，SPI设备都会发送并接收1 bit数据，相当于有1 bit数据被交换了。数据传输高位在前，低位在后（MSB first）。SPI主从结构内部数据传输示意图如下图所示

SPI总线传输的模式：

SPI总线传输一共有4中模式，这4种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义，其中CPOL参数规定了SCK时钟信号空闲状态的电平，CPHA规定了数据是在SCK时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样。这四种模式的时序图如下图所示：

模式0：CPOL= 0，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换

模式1：CPOL= 0，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换

模式2：CPOL= 1，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换

模式3：CPOL= 1，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换
　　其中比较常用的模式是模式0和模式3。为了更清晰的描述SPI总线的时序，下面展现了模式0下的SPI时序图
　　
上图清晰的表明在模式0下，在空闲状态下，SCK串行时钟线为低电平，当SS被主机拉低以后，数据传输开始，数据线MOSI和MISO的数据切换(Toggling)发生在时钟的下降沿(上图的黑色虚线)，而数据线MOSI和MISO的数据的采样(Sampling)发生在数据的正中间(上图中的灰色实线)。下图清晰的描述了其他三种模式数据线MOSI和MISO的数据切换(Toggling)位置和数据采样位置的关系图

SPI分类：

标准SPI

标准SPI通常就称SPI，它是一种串行外设接口规范，有4根引脚信号：clk , cs, mosi, miso

Dual SPI
它只是针对SPI Flash而言，不是针对所有SPI外设。对于SPI Flash，全双工并不常用，因此扩展了mosi和miso的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输。也就是对于Dual SPI Flash，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样mosi变成SIO0（serial io 0），mosi变成SIO1（serial io 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输
Qual SPI
与Dual SPI类似，也是针对SPI Flash，Qual SPI Flash增加了两根I/O线（SIO2,SIO3），目的是一个时钟内传输4个bit
所以对于SPI Flash，有标准spi flash，dual spi , qual spi 三种类型，分别对应3-wire, 4-wire, 6-wire，在相同clock下，线数越多，传输速率越高。
btw：spi flash一般为NOR Flash

W25Q128BV的Quad SPI Flash存储器的Top View如下图所示

　QSPI Flash每个引脚的详细描述如下：

1、Chip Select(/CS)

片选信号Chip Select(/CS)的作用是使能或者不使能设备的操作，当CS为高时，表示设备未被选中，串行数据输出线(DO或IO0，IO1，IO2，IO3)均处于高阻态，当CS为低时，表示设备被选中，FPGA可以给QSPI Flash发送数据或从QSPI Flash接收数据。

2、串行数据输入信号DI以及串行输出信号DO

W25Q128BV支持标准SPI协议，双线SPI(Dual SPI)协议与四线SPI(Quad SPI)协议。标准的SPI协议在串行时钟信号(SCLK)的上升沿把串行输入信号DI上的数据存入QSPI Flash中，在串行时钟信号(SCLK)的下降沿把QSPI Flash中的数据串行化通过单向的DO引脚输出。而在Dual SPI与Quad SPI中，DI与DO均为双向信号(既可以作为输入，也可以作为输出)。

3、Write Project(/WP)

写保护信号的作用是防止QSPI Flash的状态寄存器被写入错误的数据，WP信号低电平有效，但是当状态寄存器2的QE位被置1时，WP信号失去写保护功能，它变成Quad SPI的一个双向数据传输信号。

4、HOLD(/HOLD)

HOLD信号的作用是暂停QSPI Flash的操作。当HOLD信号为低，并且CS也为低时，串行输出信号DO将处于高阻态，串行输入信号DI与串行时钟信号SCLK将被QSPI Flash忽略。当HOLD拉高以后，QSPI Flash的读写操作能继续进行。当多个SPI设备共享同一组SPI总线相同的信号的时候，可以通过HOLD来切换信号的流向。和WP信号一样，当当状态寄存器2的QE位被置1时，HOLD信号失去保持功能，它也变成Quad SPI的一个双向数据传输信号。

5、串行时钟线

串行时钟线用来提供串行输入输出操作的时钟。