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SPI总线

SPI总线(Serial Peripheral Interface串行外围设备接口总线)是三线式的串行总线，是由摩托罗拉公司所研发，使用三线进行数据传输，分别是SCK时钟引脚，SI数据输入引脚和SO数据输出引脚，另外还有CS片选引脚可以对同一总线上的芯片进行选通使用，SPI总线已被广泛使用在EEPROM、单片机和各种设备中。常用串行EEPROM中的25XX系列芯片就是使用兼容SPI总线结构，采用先进COMS技术，体积小，是一种理想的低功耗非易失性存储器，广泛使用在各种家电、通讯、交通或工业设备中，通常是用于保存设备或个人的相关设置数据。ATMEL公司生产的25系列的EEPROM存储容量从1K位到256K位。其它一些芯片也会用到SPI总线，如常用的CPU监控芯片X5043、X5045就带有512字节的SPI界面EEPROM，常用于单片机系统的看门狗电路，同时也可以提供小数据量的存储，给电路设计带来很多的方便。此文将用X5045为例讲述SPI的编程应用和X5045的一些其它功能。X5045由Xicor公司出品，电压范围有2.7V到5.5V和4.5V到5.5V二个版本，擦写次数可达一百万次，最高时钟频率可达3.3MHz。图一是X5045的PID封装实物图。

图一

图二

图二是X5045的引脚定义图。CS/WDI是片选和看门狗复位输入，当CS为高时SO引脚变为高阻态，这时可以允许其它器件共用SPI总线，同时芯片也处于休眠状态，当CS为低时芯片被选中，并从休眠状态中唤醒，可以进行读写操作。SO是串行数据输出，在读芯片时数据从此脚输出。WP是写保护引脚，当WP为低时芯片写保护，不能对芯片写操作，但其它功能不受影响。Vss是电源地。SI是串行数据输入，接收来自控制器的数据和地址。SCK是串行时钟输入，RESET是复位输出，Vcc是电源。在25芯片中还有一个HOLD引脚，此引脚的功能是保持输入脚，ATMEL公司生产25芯片的HOLD引脚是低电平有效。不用此功能时，HOLD引脚要保持高电平。在芯片正在串行传输时，将HOLD拉为低电平，可以暂停进一步的传送，具体方法是SCK变低后，将HOLD也拉低，不然在下一个SCK变低前不能暂停传送，要恢复串行传送，必须在SCK为低电平时将HOLD拉高。芯片处于暂停时，SI，SO，SCK脚为高阻状态，任何时刻只要HOLD被拉低时，SO都会处于高阻状态。

限于文章的篇幅，下面内容只着重介绍X5045芯片的SPI总线对EEPROM单元的编程应用。在X5040芯片中有6个指令，它和25系列芯片的指令是兼容的，也就是说在25系列芯片中使用时基本上是不需要改变的，具体见表一。

注:A8用于数据地址的第9位。

表一　指令集

写入允许和禁止
X5045芯片内部有一个写入使能寄存器，在需要向芯片写入数据时，需要先用WREN指令使片内写入使能寄存器先置位，写入数据后可以用WRDI指令使寄存器复位到禁止状态。当上电、WRSR指令执行、WRITE指令执行、WP拉低也会使写入使能寄存器复位到禁止状态。图三是WREN/WRDI指令的操作时序图。首先要把CS拉低，输入数据，向SCK输入时钟信号，数据在时钟的上升沿有效，时钟上升后至少数据至少保持30ns。数据是串行的，所以在每个时钟周期的上升沿发送一个位。在操作这两个指令时，SO是处于高阻状态的。

图三　写入使能时序

读写状态寄存器

X5045片内有一个状态寄存器，用于指于芯片的状态和设置，可以读写，芯片出厂时状态寄存器值为30H。具体每位的功能请看表2。WIP写入保护位，是只读位，指示芯片是否正忙于写入操作。当WIP为“1”时，说明写入正在进行，为“0”时表示没有进行写入。在编程时，写入数据操作后，可以查询WIP位，当WIP为0后才进行下一次的写入操作，这样可以避免写入出错。WEL写入使能状态位，是只读位。WEL位的状态由WREN和WRDI指令确定，WREN成功执行后WEL为“1”指示允许写入数据，WRDI指令成功执行后WEL为“0”指示禁止写入数据。在编程时可以先查询WEL位的状态，如为0时则要执行WREN后才可以进行写入操作。BL0、BL1设置当前保护的区块地址，是可读写位，这两个位的设置和区块地址的关系如表3，区块的内容被保护后，就只能读出而不能写入了。25系列芯片中不同型号的芯片容量不一样，BL设置所保护的范围也不一样。WD1、WD0看门狗设置位是X5045/43特有的设置位，是可以读写位，在25系列芯片中这两个位是保留位，在X5045中有看门狗功能，这两个位就用于设置MCU喂狗的时间，表4是看门狗位的设置时间。状态寄存器的第6和第7位是保留位。读状态寄存器时，发送完RSDR指令后，SO由高阻态转为输出数据，从数据位的高位开始。写状态寄存器，发送完WSDR指令后，再发一个字节的状态数据就可以了，其中只读位可以是“1”也可以是“0”，它们不会被WSDR指令所更改。图5、图6是读写状态寄存器的时序图。

表2　状态寄存器定义

表3　BL设置位

表4　看门狗设置位

图四　读状态寄存器时序

图五　写状态寄存器时序

读数据

图六是读数据时的时序，先拉低CS选中芯片，先要把需读取的地址的第9位加到指令字节的第4个字节中，发送完指令字节就发送地址字节的前8位，这时SO就会由高阻态转为输出数据。每当一个字节的数据传送完毕后，芯片内部的地址指针自动加1，指向下一个数据地址，这时如仍有时钟脉冲时，数据会被继续输出，CS脚拉高后输出才会终止。当最高位地址的数据被读出后，地址指针指向00H。

图六　读数据时序

写数据

在向芯片写入数据之前，写使能寄存器必须处于置位状态，一般可以不必查询写使能寄存器的状态，而直接用WREN置位写使能寄存器。在发送完WREN指令后，必须把CS拉高，在CS拉高之前写使能寄存器并没有置位，这时向芯片传送数据是不会被写入的。写使能寄存器置位后，再将CS拉低，把需读取的地址的第9位加到指令字节的第4个字节中，发送完指令字节就发送地址字节的前8位，然后发送需写入的数据。WRITE指令可以连续写入16个字节，但这16个字节的地址必须在同一页中。每一页的地址由[xxxxx0000]开始，到[xxxxx1111]结束。操作方法就是在发送完每一个地址和数据后，继续发后面的数据，芯片内部的地址指针会自动累加，当达到页中最后一个字节时，时钟仍在继续，则内部地址指针回到页中第一个地址重新开始累加，并覆盖以前写入的数据。要注意的是，在操作过程中CS不能拉高，只有在数据字节的最后一个位传送完成后才可以拉高CS，不然写入操作将不完全。在写入数据或写状态寄存器指令写送后，芯片会进入一次非易失性写操作，这会花费一定的时间，最大约为10ms，在这个时间内可以用读状态寄存器，并检查WIP位，当WIP为1时则说明写入还在进行中，只有当WIP位为0时才可以进行下一次的读写数据操作，否则将会使写入不完全。

图七　写数据时序

下面我们用AT89C2051和X5045为主做一个密码控制器实验。使用X5045的看门狗功能可以使电路在受到干扰或特殊情况死机后，可以自动复位重启电路，使电路保持正常工作。使用X5045的数据读写功能，可以保存密码，也可以修改密码。本文附带的实例程序演示X5045的状态寄存器的读写、存储位的读写，里面的功能函数可以直接移植到别的程序中。电路上电后，红色LED亮，当按下按键时绿色LED闪亮一下，当按下“3,1,5,8,1,8”，密码正确，红色LED灭，绿色LED亮，继电器打开，10秒后回到上电时的状态。当按下第一次按键后20秒内没有按下正确的键值，则会进行下一次键值输入。程序可以方便修改成可以方便更改密码的程序，也可以加入记录工作次数的程序等等，升级成更实用的程序。图9是笔者用万用板搭建成的实验电路。在上一篇提供的EEPROM读写器电路及程序也支持25系列芯片和X5043/45芯片，可以直接使用它来读写。

X5045演示程序下载–》c3

图八　电路图

图九　制作实验