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1、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
2、 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 1图
3、2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 2
4、5 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
5、25系列芯片中使用时基本上是不需要改变的，具体见表一。指令 指令格式 说明WREN 0000 0110 写入允许WRDI 0000 0100 写入禁止RSDR 0000 0101 读状态寄存器WRSR 0000 0001 写状态寄存器，用于操作区块写保护标识和看门狗标识READ 0000 A8011 读数据WRITE 0000 A8010 写数据注: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
6、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 3 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
7、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
8、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。7 6 5 4 3 2 1 00 0
9、 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP0 0 看门狗位1 看门狗位0 区块保护1 区块保护0 写入使能状态位 写入保护位表 2状态寄存器定义BL1 BL0 保护地址范围0 0 无保护0 1 180H1FFH1 0 100H1FFH1 1 000H1FFH表 3BL 设置位WD1 WD0 喂狗时间0 0 1.4 秒0 1 600 毫秒1 0 200 毫秒1 1 功能禁用（出厂设置）表 4看门狗设置位图 4 读状态寄存器时序图 5 写状态寄存器时序读数据图 6 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
10、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 6 读数据时序(点击看大图)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
11、 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
12、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 7 写数据时序(点击看大图)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。图 7 原理图(点击看大图)
