分享：51单片机IO软件模拟 SPI 总线

摘要：MCS-51系列单片机中由于部分型号不带SPI串行总线接口而限制了其在SPI总线接口器件的使用。文中介绍了SPI串行总线的特征和时序，并以串行E2PROM为例，给出了在51系列单片机上利用I/O口线实现SPI串行总线接口的方法和软件设计程序。
1 引言
       SPI（Serial Peripheral Interface--串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。由于SPI系统总线一共只需3～4位数据线和控制即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行接口，而扩展并行总线则需要8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因此，采用SPI总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性。由此可见，在MCS51系列等不具有SPI接口的单片机组成的智能仪器和工业测控系统中，当传输速度要求不是太高时，使用SPI总线可以增加应用系统接口器件的种类，提高应用系统的性能。
2 SPI总线的组成
       利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统。如1个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主MCU和1个或几个从I/O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合，可使用1个MCU作为控机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。SPI总线接口系统的典型结构如图1所示。

        当一个主控机通过SPI与几种不同的串行I/O芯片相连时，必须使用每片的允许控制端，这可通过MCU的I/O端口输出线来实现。但应特别注意这些串行I/O芯片的输入输出特性：首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片时，输出端应处于高阻态。若没有三态控制端，则应外加三态门。否则MCU的MISO端只能连接1个输入芯片。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。因此只有在此芯片允许时，SCK脉冲才把串行数据移入该芯片；在禁止时，SCK对芯片无影响。若没有允许控制端，则应在外围用门电路对SCK进行控制，然后再加到芯片的时钟输入端；当然，也可以只在SPI总线上连接1个芯片，而不再连接其它输入或输出芯片。
3 在MCS-51系列单片机中的实现方法
       对于不带SPI串行总线接口的MCS-51系列单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P1.1的初始状态设置为1，而在允许接收后再置P1.1为0。这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至MCS-51单片机的P1.3口（模拟MCU的MISO线），此后再置P1.1为1，使MCS-51系列单片机从P1.0（模拟MCU的MOSI线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P1.1为0，模拟下1位数据的输入输出……，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P1.1为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据(MCU发送1位数据)，从而完成1位数据的传送。
3.1 MCU串行输入子程序SPIIN
从X25F008的SPISO线上接收8位数据并放入寄存器R0中的应用子程序如下：
SPIIN：SETB P1.1 ；使P1.1(时钟)输出为1
CLR P1.2 ；选择从机
MOV R1，#08H ；置循环次数
SPIIN1: CLR P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为0
NOP ；延时
NOP
MOV C，P1.3 ；从机输出SPISO送进位C
RLC A ；左移至累加器ACC
SETB P1.1 ；使P1.0（时钟）输出为1
DJNZ R1,SPIIN1 ；判断是否循环8次（8位数据）
MOV R0，A ；8位数据送R0
RET
3.2 MCU串行输出子程序SPIOUT
将MCS-51单片机中R0寄存器的内容传送到X25F008的SPISI线上的程序如下：
SPIOUT：SETB P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为1
CLR P1.2 ；选择从机
MOV R1,#08H ；置循环次数
MOV A,R0 ；8位数据送累加器ACC
SPIOUT1：CLR P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为0
NOP ；延时
NOP
RLC A ；左移至累加器ACC最高位至C
MOV P1.0，C ；进位C送从机输入SPISI线上
SETB P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为1
DJNZ R1,SPIOUT1 ；判是否循环8次（8位数据）
RET
3.3 MCU串行输入/输出子程序SPIIO
将MCS-51单片机R0寄存器的内容传送到X25F008的SPI SI中，同时从X25F008的SPI SO接收8位数据的程序如下：
SPIIO：SETB P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为1
CLR P1.2 ；选择从机
MOV R1，#08H ；置循环次数
MOV A，R0 ；8位数据送累加器ACC
SPIIO1：CLR P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为0
NOP ；延时
NOP
MOV C，P1.3 ；从机输出SPISO送进位C
RLC A ；左移至累加器ACC最高位至C
MOV P1.0，C ；进位C送从机输入
SETB P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为1
DJNZ R1，SPIIO1 ；判断是否循环8次（8位数据）
RET
4 结束语
       本文介绍了通过SPI总线接口实现数据传输的实现方法，给出了用MCS-51单片机汇编语言模拟SPI串行总线的输入、输出，输入/输出以传送8位数据的子程序。实际上，也可以根据SPI串行总线的操作时序特点来在MCS-96系列、ATMEL89系列等单片机上实现SPI总线的接口。