干货 | SPI协议详解

SPI协议简介

上次局哥给大家介绍了UART协议，这次给大家详细介绍一下SPI协议的相关知识（PS：本文介绍十分详细，篇幅较长，建议收藏阅读）。

SPI（serial peripheral interface）是一种同步串行通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。SPI是一种高速全双工同步通信总线，标准的SPI仅仅使用4个引脚，主要应用在 EEPROM， Flash， 实时时钟（RTC）， 数模转换器（ADC）， 数字信号处理器（DSP） 以及数字信号解码器之间。

如下图所示，在物理层次上，SPI协议只需要用四根管脚 （Pin） 用来控制以及数据传输， 节约了芯片的 pin 数目， 同时为 PCB 在布局上节省了空间。正是出于这种简单易用的特性， 现在越来越多的芯片上都集成了 SPI协议。 

SPI协议分类

4线制SPI

当我们谈到SPI时，默认情况下都是指标准的4线制Motorola SPI协议，即SCLK，MOSI，MISO和CS共4根数据线，标准4线制的好处是可以实现数据的全双工传输。当只有一个主机和一个从机设备时，只需要一个CS，多个从机需要多个CS，各数据线的介绍：

SCLK：  时钟信号，时钟频率即SPI速率，和SPI模式有关。

MOSI：主机输出，从机输入，主机数据。

MISO：主机输入，从机输出。

CS/SS：从机设备选择，低电平有效。

3线制SPI

对于3线制SPI，根据不同的应用场景，主要有以下2种类型：

只有3根线：SCLK，MOSI和CS，没有MISO数据线，适用于单工通讯。

只有3根线：SCLK，SDIO和CS，SDIO作为双向端口，适用于半双工通讯。

SPI特点

1. 主从模式

与IIC类似，SPI也是采用主从方式工作，主机通常为FPGA、MCU或DSP等可编程控制器，从机通常为EPROM、Flash，AD/DA，音视频处理芯片等设备。一般由SCLK、CS、MOSI，MISO四根线组成，有的地方可能是：SCK、SS、SDI、SDO等名称，都是一样的含义，当有多个从机存在时，通过CS来选择要控制的从机设备。

2.  同步模式

在这里介绍两个概念：CPOL和CPHA。CPOL：clock polarity 时钟的极性；表示 SPI 在空闲时， 时钟信号是高电平还是低电平。CPHA：clock phase 时钟的相位；表示 SPI 设备是在 SCK 管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样， 还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样。

Master 设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲（Clock Pulse）， 时钟脉冲组成了时钟信号（Clock Signal） ， 时钟信号通过时钟极性 （CPOL） 和 时钟相位 （CPHA） 控制着两个 SPI 设备间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样， 来保证数据在两个设备之间是同步传输的。

3.  数据交换

SPI 设备间的数据传输之所以又被称为数据交换， 是因为 SPI 协议规定一个 SPI 设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个 "发送者（Transmitter）" 或者 "接收者（Receiver）"。 在每个 Clock 周期内，SPI 设备都会发送并接收一个 bit 大小的数据， 相当于该设备有一个 bit 大小的数据被交换了。

SPI总线上的主机必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。主机在MOSI线上发送一位数据，从机读取它，而从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。就算只进行单向的数据传输，也要保持这样的顺序。这就意味着无论接收任何数据，必须实际发送一些东西！在这种情况下，我们称其为虚拟数据。

SPI工作模式

既然是进行数据传输，双方就要明确从机在什么时刻去采样主机发出的数据，主机在什么时刻去读取从机发来的数据。对于STM32等MCU自带的硬件SPI外设来说，可能没有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是对于使用使用GPIO模拟或者FPGA来实现SPI的时序，这一点是非常非常重要的，这就涉及到SPI标准协议的工作模式了，通过CPOL（Clock Polarity）时钟极性和CPHA（Clock Phase）时钟相位的不同组合，可以分为4种模式。

四种模式的描述如下：

更进一步的具体描述如下：

CPHA=0:

CPHA=1:

多slave模式

在实际应用中，往往存在需要一个master控制多个slave的情况，这时候就需要发挥广大程序员同志们的聪明才智了。

方法一：用SS/CS端控制多slave选通

通常，每个从机都需要一条单独的SS线。如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他NSS信号线的状态为高电平；如果同时将两个NSS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

方法二：采用菊花链的形式

菊花链作为SPI通信中较为“高端”的应用方式，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一 个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备。

菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器。

所以最终的数据流向图可以表示为：

总结

又到了例行的总结时间。SPI作为应用最为广泛的通信协议之一，其有着众多的优点，当然也不乏缺点。

优点

全双工串行通信；

高速数据传输速率；

简单的软件配置；

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

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）；

通常仅支持一个主设备；

需要更多的引脚（与I2C不同）；

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。

参考文献：

https://blog.csdn.net/u010632165/SPI协议详解（图文并茂+超详细）

https://blog.csdn.net/whik1194/article/一文看懂SPI协议