SPI的原理與結構

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設備接口）是由Motorola公司開發，用來在微控制器和外圍設備芯片之間提供一個低成本、易使用的接口（SPI有時候也被稱為4線接口）。這種接口可以用來連接存儲器（存儲數據）、A/D轉換器、D/A轉換器、實時時鐘日歷、LCD驅動器、傳感器、音頻芯片，甚至其他處理器。支持SPI的元件很多，并且還一直在增加。

與標準的串行接口不同，SPI是一個同步協議接口，所有的傳輸都參照一個共同的時鐘，這個同步時鐘信號由主機（處理器）產生，接收數據的外設（從設備）使用時鐘來對串行比特流的接收進行同步化。可能會有許多芯片連到主機的同一個SPI接口上，這時主機通過觸發從設備的片選輸入引腳來選擇接收數據的從設備，沒有被選中的外設將不會參與SPI傳輸。

SPI主要使用4個信號：主機輸出/從機輸入（MOSI）、主機輸入/主機輸出（MISO）、串行SCLK或SCK和外設芯片（CS）。有些處理器有SPI接口專用的芯片選擇，稱為從機選擇（SS）。

MOSI信號由主機產生，從機接收。在有些芯片上，MOSI只被簡單的標為串行輸入（SI），或者串行數據輸入（SDI）。MISO信號由從機產生，不過還是在主機的控制下產生的。在一些芯片上，MISO有時被稱為串行輸出（SO）或串行數據輸出（SDO）。外設片選信號通常只是由主機的備用I/O引腳產生的。下左圖是微處理器通過SPI和外設進行連接的示意圖。

主機和外設都包含一個串行移位寄存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節來發起一次傳輸。寄存器是通過MOSI信號線將字節傳送給外設，外設也將自己移位寄存器中的內容通過MISO信號線返回給主機，如上右圖所示。這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換了。外設的寫操作和讀操作是同步完成的，因此SPI成為一個很有效的協議。

如果只是進行寫操作，主機只需忽略收到的字節；反過來，如果主機要讀取外設的一個字節，就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸。

當主機發送一個連續的數據流時，有些外設能夠進行多字節傳輸。許多擁有SPI接口的存儲器芯片都以這種方式工作。在這種傳輸方式下，SPI外設的芯片選擇端必須在整個傳輸過程中保持低電平。比如，存儲器芯片會希望在一個“寫”命令之后緊接著收到的是4個地址字節（起始地址），這樣后面接收到的數據就可以存儲到該地址。一次傳輸可能會涉及千字節的移位或更多的信息。

其他外設只需要一個單字節（比如一個發給A/D轉換器的命令），有些甚至還支持菊花鏈連接，如下圖所示。

在這個例子中，主機處理器從其SPI接口發送3個字節的數據。第1個字節發送給外設A，當第2個字節發送給外設A的時候，第1個字節已移出了A，而傳送給了B。同樣，主機想要從外設A讀取一個結果，它必須再發送一個3字節（空字節）的序列，這樣就可以把A中的數據移到B中，然后再移到C中，最后送回主機。在這個過程中，主機還依次從B和C接收到字節。

注意，菊花鏈連接不一定適用于所有的SPI設備，特別是要求多字節傳輸的（比如存儲器芯片）設備。另外，要對外設芯片的數據表進行仔細分析，確定能對它做什么而不能做什么。如果芯片的數據表中沒有明確提到菊花鏈連接，那么該芯片不支持這種連接的幾率為50%。

根據時鐘極性和時鐘相位的不同，SPI有4個工作模式。時鐘極性有高、低兩極：時鐘極性為低電平時，空閑時時鐘（SCK）處于低電平，傳輸時跳轉到高電平；時鐘極性為高電平時，空閑時時鐘處于高電平，傳輸時跳轉到低電平。

時鐘相位有兩個：時鐘相位0和時鐘相位1。對于時鐘相位0，如果時鐘極性是低電平，MOSI和MISO輸出在（SCK）的上升沿有效。如果時鐘電平極性為高，對于時鐘相位0，這些輸出在SCK的下降沿有效。MISO輸出的第X位是一個未定義的附加位，是SPI接口特有的情況。用戶不必擔心這個位，因為SPI接口將忽略該位。