什么是SPI？

SPI的英文全稱為Serial Peripheral Interface，顧名思義為串行外設接口。SPI是一種同步串行通信接口規范，主要應用于嵌入式系統中的短距離通信。該接口由摩托羅拉在20世紀80年代中期開發，后發展成了行業規范。

SPI簡介？

SPI是一種高速的、全雙工的、同步的通信總線，并且至多僅需使用4根線，節約了芯片的管腳，SPI主要應用于EEPROM、FLASH、ADC、DAC等芯片，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。

SPI設備之間采用全雙工模式通信，是一個主機和一個或者多個從機的主從模式。主機負責初始化幀，這個數據傳輸幀可以用于讀與寫兩種操作，片選線可以從多個從機選擇一個來響應主機的請求。

SPI接口定義如下表：

由上表也可以看出當SPI設備間通信時，數據線應該是MOSI連接MOSI，MISO連接MISO，SCLK與SCLK相連，而不是像串口那樣TX、RX進行反接。當只有單一SPI從機設備時，如果從機設備允許的話，可直接將CS/SS線固定在低電平。然而類似于MAX1242這款需要CS/SS線的下降沿來觸發的芯片，則必須將CC/SS線與主機相連。如下圖，為一主一從連接方式。

對于多個從機設備時，則每個從機都需要一根CS/SS線來與主機相連，從而達到主機能與任一從機通信的目的。如下圖，為一主多從的連接方式。

大多數從機設備都有著三態邏輯的特性，因此當設備未被選中時，它們的MISO信號線會變成高阻抗狀態（電氣斷開）。沒有三態輸出的設備則需外接三態緩沖器才能與其他的從機設備共享SPI總線。

數據傳輸

在SPI通信中，SPI主機設備以從機設備支持的頻率通過SCLK線給到SPI從機設備，這點也意味著從機是無法主動向主機發送數據的，只能主機輪詢向從機發或者從機設備主動通過一個IO口來告知主機數據到達。

在SPI每個時鐘周期內，都會進行一次全雙工數據的傳輸。主機通過MOSI線上發送1bit時，從機也會在讀取到之后通過MISO線發送1bit數據出去。這說明，即使只進行單工通信，也會保持此通信順序。

SPI傳輸通常涉及到兩個給定了字長的移位寄存器。例如在主機、從機中的8bit的移位寄存器。它們以虛擬環形拓撲連接，數據通常先從最高有效位被移出。在時鐘沿，主機和從機都移出1bit數據從傳輸線上給到對方。在下一個時鐘邊沿來到時，雙方的接收器再對傳輸線上的該bit進行采樣，并將其設置為移位寄存器的新的最低有效位。在寄存器位被移出和移入后，主機和從機交換了寄存器值。如果需要交換更多數據，則重新加載移位寄存器并重復該過程。傳輸可以持續任意數量的時鐘周期。完成后，主機停止切換時鐘信號。如下圖，為主從機之間的交互時的移位寄存器示意圖。

其中上圖的通信流程如下：

1.SPI主機首先現將SS或CS線拉低，以此來告知SPI從機通信開始。

2. 主機通過發送SCLK時鐘信號，來告知從機即將進行的讀寫操作。這里的SCLK時鐘信號是由SPI的模式來決定是高電平還是低電平有效的，這點在稍后會進行介紹。

3. 主機(Master)將要發送的數據寫到發送數據緩存區(Memory)，緩存區經過移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節一位一位的移出去傳送給從機，同時MISO接口接收到的數據經過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區。

4.從機(Slave)也將自己的串行移位寄存器(0~7)中的內容通過MISO信號線返回給主機。同時通過MOSI信號線接收主機發送的數據，這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。

SPI通信的4種工作模式

SPI通信中有4種不同的操作模式，不同的從機設備可能在出廠時就被設置好了某種模式，并且無法更改。但是SPI通信必須處于同一種模式下才能進行。因此我們應該對自己手里的SPI主機設備進行模式的配置，也就是通過CPOL(時鐘極性)和CPHA(時鐘相位)來控制SPI主設備的通信模式，具體如下：

時鐘極性(CPOL)定義了SCLK時鐘線空閑狀態時的電平：

1.CPOL=0，即SCLK=0，表示SCLK時鐘信號線在空閑狀態時的電平為低電平，因此有效狀態為高電平。

2. CPOL=1，即SCLK=1，表示SCLK時鐘信號線在空閑狀態時的電平為高電平，因此有效狀態為低電平。

時鐘相位(CPHA)定義了數據位相對于時鐘線的時序(即相位)：

1. CPHA=0，即表示輸出(out)端在上一個時鐘周期的后沿改變數據，而輸入(in)端在時鐘周期的前沿(或不久之后)捕獲數據。輸出端保持數據有效直到當前時鐘周期的尾部邊緣。對于第一個時鐘周期來說，第一位的數據必須在時鐘前沿之前出現在MOSI線上。也就是一個CPHA=0的周期包括半個時鐘空閑和半個時鐘置位的周期。

2. CPHA=1，即表示輸出(out)端在當前時鐘周期的前沿改變數據，而輸入(in)端在時鐘周期的后沿(或不久之后)捕獲數據。輸出端保持數據有效直到下一個時鐘周期的前沿。對于最后一個時鐘周期來說，從機設備在片選信號消失之前保持MISO信號線有效。也就是一個CHPA=1的周期包括半個時鐘置位和半個時鐘空閑的周期。

注意：此處的前沿和后沿的意思表示在每個周期中第一個出現的邊沿和最后一個出現的邊沿。總的來說則為：當時鐘為正向時鐘時，時鐘線的上升沿為前沿，時鐘的下降沿為后沿，反之。

如下表，為SPI通信的4種模式：

下圖顯示了時鐘極性和相位的時序圖。紅線表示時鐘的前沿，藍線表示時鐘的后沿。

SPI協議的優缺點

SPI的優點在于它有著比I2C更高的吞吐量，不被最大時鐘速度所限制，可實現潛在的高速、極為簡單的硬件接口，外圍電路使用的上拉電阻是比I2C協議更少的，這意味著它具有比I2C的功耗更低、從機的時鐘來源來自主機設備，無需新增精密振蕩器、從機不需要唯一的地址、相對于并行接口而言，使用的引腳數目大大減少等優點。

但同時有著一定的缺點，例如SPI沒有帶內尋址、當使用多個不同模式的從機設備時，主機設備切換模式時重新初始化，會使得訪問從機設備速度變慢、SPI從機設備沒有硬件流控，只能通過主機自主的延遲下個時鐘周期到來的時間、僅能在短距離通信等缺點。但能在避免SPI的缺點的方向來應用SPI的話，SPI的優點讓它遠遠優于其他協議。

審核編輯：湯梓紅