SPI協議是由摩托羅拉公司提出的一種串行外圍設備通信接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在ADC、LCD、存儲器等設備中，包括一些需要與MCU之間有較高通訊速率要求的場合中。

1、SPI 的硬件層

SPI是采用主從模式的一種通信方式，它支持一主一從、一主多從，但是不支持多主機模式。

常見的一主多從的連接方式如下：

1.1、SPI接口的信號線

SPI接口共有四根信號線，它們分別如下：

SCLK： 時鐘信號線。由主機產生并控制。

MOSI： 主機數據輸出，從機數據輸入。（主出從入）

MISO： 主機數據輸入，從機數據輸出。（主入從出）

NSS： 從機片選使能信號線。該信號由主機進行控制。在一主對多從的模式下，每一個從機都需要一個NSS，用于主機選擇和那個從機進行通信（一般為低電平有效）。當一個SPI設備需要發送廣播數據，它必須拉低NSS信號，以通知所有其它的設備它是主設備。

1.2、SPI通信常見的連接方式

（1）SPI通信配置為全雙工的連接方式：

這種連接方式允許主從機之間互相進行通信，時鐘均由主機產生。

（2）單工模式 —— 主機接收，從機發送

這種模式下由主機產生時鐘SCK，主機只能收到從機上報的數據，不能向從機下發數據。

（3）單工模式 —— 主機發送，從機接收

這種模式下由主機產生時鐘SCK，主機只能向從機下發數據，不能接收從機上報的數據。常見的應用有帶SPI接口的LCD顯示屏。

（4）雙向通信的連接方式

2、SPI的通信協議

SPI的協議定義了通信的起始信號、停止信號、數據有效性、時鐘同步等。它的通訊時序如下：

圖：SPI通信時序圖

這是一個主機的通信時序，信號線 NSS、SCK、MOSI 都是由主機控制，MISO 是由從機進行控制。其中 MOSI 和 MISO 上的數據僅在 NSS 為低時才有效，并且每個SCK 時鐘周期只交換一位數據。

2.1、起始信號

SPI通信時序圖中的①為通信的起始信號，由主機控制NSS從高電平到低電平，從而選擇要進行通信的從機，再通過主機產生時鐘信號SCK，啟動一次數據的傳輸。

2.2、停止信號

SPI通信時序圖中的⑥為通信的起始信號，由主機控制NSS從低電平到高電平，從而結束一次數據的傳輸。

2.3、數據有效性

SPI 在 SCK 時鐘的同步下進行數據的準備和采樣，如通信時序圖的②③④⑤所示。在 NSS 為低的情況時，在 SCK 的上升沿時 MISO 和 MOSI 進行數據準備，SCK 的下降沿時讀取 MISO 和 MOSI 上的數據。 在 NSS 為高時，MISO 和MOSI 上的數據無效。

2.4、時鐘的同步

SPI 的數據傳輸是需要 SCK 時鐘信號嚴格同步的，每一個 SCK 周期只傳輸一位數據，這一個周期里要完成數據的準備和采樣，且數據的輸入和輸出是同時進行的。

SPI中數據是MSB 先行或 LSB先行，在協議中是沒有硬性規定，只需通信雙方保持統一即可。

SPI 一次數據傳輸可以是 8 位或 16 位為單位，每次傳輸的單位數不受限制。

3、SPI的工作模式

SPI 一共有四種工作模式。它們的區別是：

1）總線空閑時 SCK 的電平狀態

2）數據開始采樣的時刻。

這四種模式是通過 “時鐘極性 CPOL” 和 “時鐘相位 CPHA” 的電平來實現和區分的。如下：

1）CPOL=0 時，SCK 引腳在空閑狀態保持低電平；

2）CPOL=1 時，SCK 引腳在空閑狀態保持高電平；

3）CPHA=0 時，SCK 時鐘的第一個邊沿進行采樣；

4）CPHA =1 時，SCK 時鐘的第二個邊沿進行采樣。

時鐘相位CPHA =1 ，數據在SCK 時鐘的第二個邊沿采樣的時序圖如下：

時鐘相位CPHA =0 ，數據在SCK 時鐘的第一個邊沿采樣的時序圖如下：