SPI简介

串行外设接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一种用于短程通信的同步串行通信接口规范，主要应用于单片机系统中。类似I²C。 这种接口首先被Motorola（摩托罗拉）公司开发，然后发展成了一种行业规范。典型应用包含SD卡和液晶显示器。 SPI设备之间使用全双工模式通信，包含一个主机和一个或多个从机。主机产生待读或待写的帧数据，多个从机通过一个片选线路 决定哪个来响应主机的请求。 有时SPI接口被称作四线程接口，SPI准确来讲称为同步串行接口，但是与同步串行接口协议（SSI）不同，SSI是一个四线程 同步通信协议，但是使用差分信号输入同时仅提供一个单工通信信道。

SPI总线规定了4个保留逻辑信号接口：

• SCLK（Serial Clock）：串行时钟，由主机发出

• MOSI（Master Output,Slave Input）：主机输出从机输入信号，由主机发出

• MISO（Master Input,Slave Output）：主机输入从机输出信号，由从机发出

• SS（Slave Selected）：选择信号，由主机发出，低电位有效

SPI总线：单一master对单一slave

SPI总线：单一master对复合slave

虽然上述名称是现在广泛在使用的，但是在有些情况下，比如旧的IC，可能与插图上描述的引脚口名称不同：

• SCLK:SCK

• MOSI:SIMO, SDO, DI, DIN, SI, MTSR

• MISO:SOMI, SDI, DO, DOUT, SO, MRST

• SDIO:SIO

• SS: S̅S̅, SSEL, CS, C̅S̅, CE, nSS, /SS, SS#

MOSI / MISO惯例要求，在使用备用名称的设备上，主机上的SDI连接到从机上的SDI，反之亦然。从选择与芯片选择相同的功能，而不是寻址概念。引脚名称始终大写，如从选择，串行时钟和主输出从输入。

SPI Operation

SPI总线可以与单个主器件以及一个或多个从器件一起工作。

如果使用单个从器件，如果从器件允许，SS引脚可能会固定为逻辑低电平。有些器件需要下降边沿的片选信号来启动一个动作。一个例子是Maxim MAX1242 ADC，它在高→低转换时开始转换。对于多个从设备，每个从设备都需要从主站独立的SS信号。

大多数从器件具有三态输出，因此当未选择器件时，其MISO信号变为高阻抗（逻辑断开）。没有三态输出的器件不能与其他器件共享SPI总线段; 只有一个这样的从设备可以跟主设备说话。

数据传输

要开始通信，总线主机使用从设备支持的频率配置时钟，通常高达几MHz。然后主机在选择行上选择逻辑电平为0的从设备。如果需要等待时间，例如进行模数转换，则在发出时钟周期之前，主机必须至少等待一段时间。

在每个SPI时钟周期期间，发生全双工数据传输。主机在MOSI线路上发送一个位，从机读取它，而从机在MISO线路上发送一个位，主器件读取它。即使仅需要单向数据传输，也保持该序列。

传输通常涉及一些给定字大小的两个移位寄存器，例如8位，主器件中有1位，从器件中有1位。它们以虚拟环形拓扑连接。数据通常以最高有效位首先移出，同时将新的最低有效位移位到同一寄存器。同时，来自对方的数据被移入最低有效位寄存器。在寄存器位被移出和进入后，主器件和从器件已经交换了寄存器值。如果需要更换数据，则重新装入移位寄存器，重复该过程。传输可以持续任何数量的时钟周期。完成后，主站停止切换时钟信号，通常取消选择从站。

传输通常由8位字组成。然而，其他字大小也是常见的，例如，用于触摸屏控制器或音频编解码器的16位字，例如德州仪器公司的TSC2101 或12位字，用于许多数模转换器或模数转换器转换器。

总线上未使用芯片选择线激活的每个从器件都必须忽略输入时钟和MOSI信号，而不能驱动MISO。

典型的硬件设置使用两个移位寄存器来形成一个片间循环缓冲区，如下图：

时钟极性和相位

除了设置时钟频率外，主机还必须配置相对于数据的时钟极性和相位。摩托罗拉SPI指南将这两个选项分别命名为CPOL和CPHA，大多数厂商都采用了这一惯例。

时序图如下图所示。 该时序在下面进一步描述并适用于主设备和从设备。

显示时钟极性和相位的时序图。红线表示时钟前沿，蓝线，后沿。

• CPOL确定时钟的极性。极性可以用简单的逆变器转换。

• CPOL = 0是空闲0的时钟，每个周期由1的脉冲组成。也就是说，前沿是上升沿，后沿是下降沿。

• CPOL = 1是空闲1的时钟，每个周期由0的脉冲组成。也就是说，前沿是下降沿，后沿是上升沿。

• CPHA确定数据位相对于时钟脉冲的定时。在两种形式之间进行转换并不是微不足道的。

• 对于CPHA = 0，“输出”侧在前一时钟周期的后沿更改数据，而“in”侧在时钟周期的前沿捕获（或不久之后）数据。外侧保持数据有效直到当前时钟周期的下降沿。对于第一个周期，第一个位必须位于MOSI线前面的前沿时钟边沿。

• 考虑它的另一种方法是说，CPHA = 0周期由时钟空闲的半周期组成，随后是时钟被断言的半周期。

• 对于CPHA = 1，“输出”侧在当前时钟周期的前沿更改数据，而“in”侧在时钟周期的后沿捕获（或不久之后）数据。外侧保持数据有效直到下一个时钟周期的前沿。对于上一个周期，从机将MISO线保持有效，直到从机选择被解除。

• 考虑它的另一种方法是说，CHPA = 1周期由一个半周期组成，时钟被置位，随后是一个半周期，时钟空闲。

MOSI和MISO信号通常在半个周期内稳定（在其接收点），直到下一个时钟转换。SPI主从设备可能会在该半周期的不同点对数据进行采样。

这为主站和从站之间的通信通道增加了更多的灵活性。

模式

极性和相位的组合通常被称为根据以下约定通常编号的模式，CPOL为高位，CPHA为低位位：

对于“Microchip PIC”/“ARM”微控制器（注意，NCPHA是CPHA的反转）：

另一种常用的符号表示作为（CPOL，CPHA）元组的模式; 例如，值'（0,1）'将指示CPOL = 0和CPHA = 1。

中断

SPI器件有时使用另一条信号线将中断信号发送到主机CPU。实例包括从触摸屏传感器落笔中断，从温度传感器热限制警报，由实时时钟芯片，发出警报SDIO，和耳机插孔插入从在蜂窝电话的声音编解码器。中断不在SPI标准的范围内; 它们的使用既不被禁止也不被标准规定。

作者：btskyrmb
链接：https://www.jianshu.com/p/5de187bf5b75
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。