摘要：MCS-51係列單片機中由於(yu) 部分型號不帶SPI串行總線接口而限製了其在SPI總線接口器件的使用。文中介紹了SPI串行總線的特征和時序，並以串行E2PROM為(wei) 例，給出了在51係列單片機上利用I/O口線實現SPI串行總線接口的方法和軟件設計程序。

    關(guan) 鍵詞：單片機 SPI串行總線 總線接口

1 引言

SPI（Serial Peripheral Interface--串行外設接口）總線係統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與(yu) 各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置FLASHRAM、網絡控製器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線係統可直接與(yu) 各個(ge) 廠家生產(chan) 的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鍾線（SCK）、主機輸入/從(cong) 機輸出數據線MISO、主機輸出/從(cong) 機輸入數據線MOSI和低電平有效的從(cong) 機選擇線SS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT或INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從(cong) 機輸入數據線MOSI）。由於(yu) SPI係統總線一共隻需3～4位數據線和控製即可實現與(yu) 具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進行接口，而擴展並行總線則需要8根數據線、8～16位地址線、2～3位控製線，因此，采用SPI總線接口可以簡化電路設計，節省很多常規電路中的接口器件和I/O口線，提高設計的可靠性。由此可見，在MCS51係列等不具有SPI接口的單片機組成的智能儀(yi) 器和工業(ye) 測控係統中，當傳(chuan) 輸速度要求不是太高時，使用SPI總線可以增加應用係統接口器件的種類，提高應用係統的性能。

2 SPI總線的組成

      利用SPI總線可在軟件的控製下構成各種係統。如1個(ge) 主MCU和幾個(ge) 從(cong) MCU、幾個(ge) 從(cong) MCU相互連接構成多主機係統（分布式係統）、1個(ge) 主MCU和1個(ge) 或幾個(ge) 從(cong) I/O設備所構成的各種係統等。在大多數應用場合，可使用1個(ge) MCU作為(wei) 控機來控製數據，並向1個(ge) 或幾個(ge) 從(cong) 外圍器件傳(chuan) 送該數據。從(cong) 器件隻有在主機發命令時才能接收或發送數據。其數據的傳(chuan) 輸格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在後。SPI總線接口係統的典型結構如圖1所示。
 

      當一個(ge) 主控機通過SPI與(yu) 幾種不同的串行I/O芯片相連時，必須使用每片的允許控製端，這可通過MCU的I/O端口輸出線來實現。但應特別注意這些串行I/O芯片的輸入輸出特性：首先是輸入芯片的串行數據輸出是否有三態控製端。平時未選中芯片時，輸出端應處於(yu) 高阻態。若沒有三態控製端，則應外加三態門。否則MCU的MISO端隻能連接1個(ge) 輸入芯片。其次是輸出芯片的串行數據輸入是否有允許控製端。因此隻有在此芯片允許時，SCK脈衝(chong) 才把串行數據移入該芯片；在禁止時，SCK對芯片無影響。若沒有允許控製端，則應在外圍用門電路對SCK進行控製，然後再加到芯片的時鍾輸入端；當然，也可以隻在SPI總線上連接1個(ge) 芯片，而不再連接其它輸入或輸出芯片。

3 在MCS-51係列單片機中的實現方法

       對於(yu) 不帶SPI串行總線接口的MCS-51係列單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時鍾、數據輸入和數據輸出。對於(yu) 不同的串行接口外圍芯片，它們(men) 的時鍾時序是不同的。對於(yu) 在SCK的上升沿輸入（接收）數據和在下降沿輸出（發送）數據的器件，一般應將其串行時鍾輸出口P1.1的初始狀態設置為(wei) 1，而在允許接收後再置P1.1為(wei) 0。這樣，MCU在輸出1位SCK時鍾的同時，將使接口芯片串行左移，從(cong) 而輸出1位數據至MCS-51單片機的P1.3口（模擬MCU的MISO線），此後再置P1.1為(wei) 1，使MCS-51係列單片機從(cong) P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數據（先為(wei) 高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數據輸入輸出便宣告完成。此後再置P1.1為(wei) 0，模擬下1位數據的輸入輸出……，依此循環8次，即可完成1次通過SPI總線傳(chuan) 輸8位數據的操作。對於(yu) 在SCK的下降沿輸入數據和上升沿輸出數據的器件，則應取串行時鍾輸出的初始狀態為(wei) 0，即在接口芯片允許時，先置P1.1為(wei) 1，以便外圍接口芯片輸出1位數據（MCU接收1位數據），之後再置時鍾為(wei) 0，使外圍接口芯片接收1位數據(MCU發送1位數據)，從(cong) 而完成1位數據的傳(chuan) 送。

       圖2所示為(wei) MCS-51係列單片機與(yu) 存儲(chu) 器X25F008（E2PROM）的硬件連接圖，圖2中，P1.0模擬MCU的數據輸出端（MOSI），P1.1模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬SPI的從(cong) 機選擇端，P1.3模擬SPI的數據輸入端（MISO）。下麵介紹用MCS-51單片機的匯編語言模擬SPI串行輸入、串行輸出和串行輸入/輸出的3個(ge) 子程序，實際上，這些子程序也適用於(yu) 在串行時鍾的上升沿輸入和下降沿輸出的其它各種串行外圍接口芯片（如A/D轉換芯片、網絡控製器芯片、LED顯示驅動芯片等）。對於(yu) 下降沿輸入、上升沿輸出的各種串行外圍接口芯片，隻要改變P1.1的輸出電平順序，即先置P1.1為(wei) 低電平，之後再次置P1.1為(wei) 高電平，再置P1.1為(wei) 低電平……，則這些子程序也同樣用。

3.1 MCU串行輸入子程序SPIIN

從(cong) X25F008的SPISO線上接收8位數據並放入寄存器R0中的應用子程序如下：

SPIIN：SETB  P1.1           ；使P1.1(時鍾)輸出為(wei) 1

CLR  P1.2                   ；選擇從(cong) 機

MOV  R1，#08H             ；置循環次數

SPIIN1: CLR    P1.1          ；使P1.1（時鍾）輸出為(wei) 0

NOP                         ；延時

NOP

MOV  C，P1.3                ；從(cong) 機輸出SPISO送進位C

RLC  A                      ；左移至累加器ACC

SETB   P1.1                ；使P1.0（時鍾）輸出為(wei) 1

DJNZ   R1,SPIIN1           ；判斷是否循環8次（8位數據）

MOV   R0，A              ；8位數據送R0

RET

3.2 MCU串行輸出子程序SPIOUT

將MCS-51單片機中R0寄存器的內(nei) 容傳(chuan) 送到X25F008的SPISI線上的程序如下：

SPIOUT：SETB  P1.1    ；使P1.1（時鍾）輸出為(wei) 1

CLR    P1.2            ；選擇從(cong) 機

MOV   R1,#08H        ；置循環次數

MOV   A,R0           ；8位數據送累加器ACC

SPIOUT1：CLR  P1.1   ；使P1.1（時鍾）輸出為(wei) 0

NOP                   ；延時

NOP

RLC  A               ；左移至累加器ACC最高位至C

MOV   P1.0，C        ；進位C送從(cong) 機輸入SPISI線上

SETB   P1.1           ；使P1.1（時鍾）輸出為(wei) 1

DJNZ   R1,SPIOUT1   ；判是否循環8次（8位數據）

RET

3.3 MCU串行輸入/輸出子程序SPIIO

將MCS-51單片機R0寄存器的內(nei) 容傳(chuan) 送到X25F008的SPI SI中，同時從(cong) X25F008的SPI SO接收8位數據的程序如下：

SPIIO：SETB  P1.1  ；使P1.1（時鍾）輸出為(wei) 1

CLR    P1.2        ；選擇從(cong) 機

MOV   R1，#08H   ；置循環次數

MOV   A，R0      ；8位數據送累加器ACC

SPIIO1：CLR  P1.1  ；使P1.1（時鍾）輸出為(wei) 0

NOP                ；延時

NOP

MOV  C，P1.3      ；從(cong) 機輸出SPISO送進位C

RLC   A          ；左移至累加器ACC最高位至C

MOV  P1.0，C     ；進位C送從(cong) 機輸入

SETB  P1.1        ；使P1.1（時鍾）輸出為(wei) 1

DJNZ  R1，SPIIO1 ；判斷是否循環8次（8位數據）

RET

4 結束語

      本文介紹了通過SPI總線接口實現數據傳(chuan) 輸的實現方法，給出了用MCS-51單片機匯編語言模擬SPI串行總線的輸入、輸出，輸入/輸出以傳(chuan) 送8位數據的子程序。實際上，也可以根據SPI串行總線的操作時序特點來在MCS-96係列、ATMEL89係列等單片機上實現SPI總線的接口。