SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口) 协议是一种高速高效率、全双工的通信总线，允许CPu与低速的外围设备之间进行同步串行数据的传输，主要是用同步的时钟信号对串行的数据同时进行发送和接收操作，从而实现全双工。常用于短距离通讯，主要是在嵌入式系统中。
SPI接口在芯片内部只占用四根线，主要有两条数据线、一根片选线和一根时钟信号线。这四根线分别对应SPI协议传输时的四种信号，分别有主机输出信号MOSI、从机输入信号MISO、片选信号sS n以及输出的时钟信号SCK。
SPI协议里定义了主模式和从模式两种工作方式，在协议里规定工作在主模式下的模块是主机，工作在从模式下的模块是从机。主机和从机之间按照SPI时序要求进行数据交换。
一个典型的SPI系统应包括只能有一个主机、一个或多个从机。
SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。下图显示了主机和从机之间的SPI连接。
多个从机可与单个SPI主机一起使用。从机可以采用常规模式连接，或采用菊花链模式连接。
常规SPI模式
在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能(拉低)片选信号，MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。
菊花链模式：
在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机 。
SPI数据通信的流程可以分为以下四步：
1、主设备发起信号，将CS/SS拉低，选择片选，启动通信。
2、主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低），根据spi模式而定），它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）。
3、主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓存区（Memory），缓存区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
SPI总线上的数据传输由串行时钟SCK进行同步处理，串行时钟SCK由SPI主机产生，每个时钟周期仅发送1bit数据。，SPI有四种操作模式——SPI0、SPI1、SPI2和SPI3，它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低）。每种模式由一对参数刻画，它们称为时钟极性（clock polarity）CPOL与时钟相位（clock phase）CPHA。
2.2.1 时钟极性与时钟相位
CPOL表示SCK的空闲状态的有效电平；
CPOL = 0表示SCK的空闲状态是低电平，CPOL = 1表示SCK的空闲状态是高电平；
CPHA规定了数据的采样时间；
CPHA = 0表示在SCK的有效电平的第一个跳变边沿进行数据采样，CPHA = 1表示在SCK的有效电平的第二个跳边沿进行数据采样；
2.2.2 SPI模式
SPI0: 时钟极性和时钟相位均为0。
SCK空闲状态为低电平，SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿。主机数据在第一个跳变沿被从机采样。
SPI1: 时钟极性为0，时钟相位为1。
SPI2: 时钟极性为1，时钟相位为0。
SPI3: 时钟极性和时钟相位均为1。
SCK空闲状态为高电平，SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。主机数据在第二个跳变沿被从机采样，数据发送在第1个边沿。
2.2.3 图文实例讲解
下图示例中简单模拟SPI通信流程，主机拉低NSS片选信号，启动通信，并且产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在MOSI线路一位一位发送数据0X53，在MISO线路一位一位接收数据0X46，如下图所示，本例中主从设备只进行单写和单读方式，其实是同时可以读写，如下MOSI中主机发送数据0x53，但是忽略从机发的数据：
注意：
最开始第一个时钟周期片选信号拉低之后数据传输过程：
以spi0（SCK空闲状态为低电平，数据采样是在上升沿）举例 ：
我们来关注SCK的第一个时钟周期，在时钟的前沿采样数据（上升沿，第一个时钟沿），在时钟的后沿输出数据（下降沿，第二个时钟沿）。首先来看主器件，主器件的输出口（MOSI）输出的数据bit1，在时钟的前沿被从器件采样，那主器件是在何时刻输出bit1的呢？bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前，比SCK的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件，从器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的，那从器件又是在何时刻输出bit1的呢。从器件是在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有起效，记住关键，spi是全双工，在发数据的同时，也会进行数据的采集，主从设备采集数据的时钟相位一致，本例中都是上升沿采样。
优点
无起始位和停止位，因此数据位可以连续传输而不会被中断；
没有像I2C这样复杂的从设备寻址系统；
数据传输速率比I2C更高（几乎快两倍）；
分离的MISO和MOSI信号线，因此可以同时发送和接收数据；
极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。
缺点
使用四根信号线（I2C和UART使用两根信号线）；
无法确认是否已成功接收数据（I2C拥有此功能）；
没有任何形式的错误检查，如UART中的奇偶校验位；
只允许一个主设备；
没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
没有定义硬件级别的错误检查协议；
与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；
版权声明：
本文来源网络，所有图片文章版权属于原作者，如有侵权，联系删除。
本文网址：https://www.mushiming.com/mjsbk/1869.html