一文搞懂SPI通信協(xié)議

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簡介

SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是美國摩托羅拉公司（Motorola）最先推出的一種同步串行傳輸規(guī)范，也是一種單片機(jī)外設(shè)芯片串行擴(kuò)展接口，是一種高速、全雙工、同步通信總線，所以可以在同一時間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，SPI沒有定義速度限制，通常能達(dá)到甚至超過10M/bps。

SPI有主、從兩種模式，通常由一個主模塊和一個或多個從模塊組成（SPI不支持多主機(jī)），主模塊選擇一個從模塊進(jìn)行同步通信，從而完成數(shù)據(jù)的交換。提供時鐘的為主設(shè)備（Master），接收時鐘的設(shè)備為從設(shè)備（Slave），SPI接口的讀寫操作，都是由主設(shè)備發(fā)起，當(dāng)存在多個從設(shè)備時，通過各自的片選信號進(jìn)行管理。

SPI通信原理很簡單，需要至少4根線，單向傳輸時3根線，它們是MISO（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入）、MOSI（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）和CS/SS（片選）：

• MISO（ Master Input Slave Output）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；

• MOSI（Master Output Slave Input）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；

• SCLK（Serial Clock）：時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；

• CS/SS（Chip Select/Slave Select）：從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制，一主多從時，CS/SS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號，只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），主芯片對此從芯片的操作才有效。

一主設(shè)備一從設(shè)備模式

一主設(shè)備多從設(shè)備模式

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通信原理

SPI主設(shè)備和從設(shè)備都有一個串行移位寄存器，主設(shè)備通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。

SPI數(shù)據(jù)通信的流程可以分為以下幾步：

1、主設(shè)備發(fā)起信號，將CS/SS拉低，啟動通信。

2、主設(shè)備通過發(fā)送時鐘信號，來告訴從設(shè)備進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)操作（采集時機(jī)可能是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低），因?yàn)镾PI有四種模式，后面會講到），它將立即讀取數(shù)據(jù)線上的信號，這樣就得到了一位數(shù)據(jù)（1bit）。

3、主機(jī)（Master）將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)（Menory），緩存區(qū)經(jīng)過移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機(jī)配置），串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)一位一位的移出去傳送給從機(jī)，同時MISO接口接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區(qū)。

4、從機(jī)（Slave）也將自己的串行移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機(jī)配置）中的內(nèi)容通過MISO信號線返回給主機(jī)。同時通過MOSI信號線接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣，兩個移位寄存器中的內(nèi)容就被交換。

例如，下圖示例中簡單模擬SPI通信流程，主機(jī)拉低NSS片選信號，啟動通信，并且產(chǎn)生時鐘信號，上升沿觸發(fā)邊沿信號，主機(jī)在MOSI線路一位一位發(fā)送數(shù)據(jù)0X53，在MISO線路一位一位接收數(shù)據(jù)0X46，如下圖所示：

這里有一點(diǎn)需要著重說明一下：SPI只有主模式和從模式之分，沒有讀和寫的說法，外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。若只進(jìn)行寫操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)（虛擬數(shù)據(jù)）；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機(jī)的傳輸。也就是說，你發(fā)一個數(shù)據(jù)必然會收到一個數(shù)據(jù)；你要收一個數(shù)據(jù)必須也要先發(fā)一個數(shù)據(jù)。

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通信特性

3.1、設(shè)備選擇

SPI是單主設(shè)備（Single Master）通信協(xié)議，只有一支主設(shè)備能發(fā)起通信，當(dāng)SPI主設(shè)備想讀/寫從設(shè)備時，它首先拉低從設(shè)備對應(yīng)的SS線（SS是低電平有效）。接著開始發(fā)送工作脈沖到時鐘線上，在相應(yīng)的脈沖時間上，主設(shè)備把信號發(fā)到MOSI實(shí)現(xiàn)“寫”，同時可對MISO采樣而實(shí)現(xiàn)“讀”。如下圖所示：

3.2、設(shè)備時鐘

SPI時鐘特點(diǎn)主要包括：時鐘速率、時鐘極性和時鐘相位三方面。

3.2.1、時鐘速率

SPI總線上的主設(shè)備必須在通信開始時候配置并生成相應(yīng)的時鐘信號。從理論上講，只要實(shí)際可行，時鐘速率就可以是你想要的任何速率，當(dāng)然這個速率受限于每個系統(tǒng)能提供多大的系統(tǒng)時鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。

3.2.2、時鐘極性

根據(jù)硬件制造商的命名規(guī)則不同，時鐘極性通常寫為CKP或CPOL。時鐘極性和相位共同決定讀取數(shù)據(jù)的方式，比如信號上升沿讀取數(shù)據(jù)還是信號下降沿讀取數(shù)據(jù)。

CKP可以配置為1或0。

這意味著你可以根據(jù)需要將時鐘的默認(rèn)狀態(tài)（IDLE）設(shè)置為高或低。極性反轉(zhuǎn)可以通過簡單的邏輯逆變器實(shí)現(xiàn)。你必須參考設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊才能正確設(shè)置CKP和CKE。

• CKP = 0：時鐘空閑IDLE為低電平 0；

• CKP = 1：時鐘空閑IDLE為高電平1。

3.2.3、時鐘相位

根據(jù)硬件制造商的不同，時鐘相位通常寫為CKE或CPHA。顧名思義，時鐘相位/邊沿，也就是采集數(shù)據(jù)時是在時鐘信號的具體相位或者邊沿。

• CKE = 0：在時鐘信號SCK的第一個跳變沿采樣；

• CKE = 1：在時鐘信號SCK的第二個跳變沿采樣。

3.3、四種模式

根據(jù)SPI的時鐘極性和時鐘相位特性可以設(shè)置4種不同的SPI通信操作模式，它們的區(qū)別是定義了在時鐘脈沖的哪條邊沿轉(zhuǎn)換（toggles）輸出信號，哪條邊沿采樣輸入信號，還有時鐘脈沖的穩(wěn)定電平值（就是時鐘信號無效時是高還是低），詳情如下所示：

• Mode0：CKP=0，CKE =0：當(dāng)空閑態(tài)時，SCK處于低電平，數(shù)據(jù)采樣是在第1個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在上升沿（準(zhǔn)備數(shù)據(jù)），（發(fā)送數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

• Mode1：CKP=0，CKE=1：當(dāng)空閑態(tài)時，SCK處于低電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第2個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

• Mode2：CKP=1，CKE=0：當(dāng)空閑態(tài)時，SCK處于高電平，數(shù)據(jù)采集是在第1個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

• Mode3：CKP=1，CKE=1：當(dāng)空閑態(tài)時，SCK處于高電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第2個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在上升沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

黑線為采樣數(shù)據(jù)的時刻，藍(lán)線為SCK時鐘信號

舉個例子，下圖是SPI Mode0讀/寫時序，可以看出SCK空閑狀態(tài)為低電平，主機(jī)數(shù)據(jù)在第一個跳變沿被從機(jī)采樣，數(shù)據(jù)輸出同理。

下圖是SPI Mode3讀/寫時序，SCK空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)數(shù)據(jù)在第二個跳變沿被從機(jī)采樣，數(shù)據(jù)輸出同理。

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多從機(jī)模式

有兩種方法可以將多個從設(shè)備連接到主設(shè)備：多片選和菊花鏈。

通常，每個從機(jī)都需要一條單獨(dú)的SS線。如果要和特定的從機(jī)進(jìn)行通訊，可以將相應(yīng)的NSS信號線拉低，并保持其他SS信號線的狀態(tài)為高電平；如果同時將兩個SS信號線拉低，則可能會出現(xiàn)亂碼，因?yàn)閺臋C(jī)可能都試圖在同一條MISO線上傳輸數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)亂碼。

菊花鏈的最大缺點(diǎn)是信號串行傳輸，一旦數(shù)據(jù)鏈路中的某設(shè)備發(fā)生故障的時候，它下面優(yōu)先級較低的設(shè)備就不可能得到服務(wù)了。另一方面，距離主機(jī)越遠(yuǎn)的從機(jī)，獲得服務(wù)的優(yōu)先級越低，所以需要安排好從機(jī)的優(yōu)先級，并且設(shè)置總線檢測器，如果某個從機(jī)超時，則對該從機(jī)進(jìn)行短路，防止單個從機(jī)損壞造成整個鏈路崩潰的情況。

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SPI優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

1. 無起始位和停止位，因此數(shù)據(jù)位可以連續(xù)傳輸而不會被中斷；

2. 沒有像I2C這樣復(fù)雜的從設(shè)備尋址系統(tǒng)；

3. 數(shù)據(jù)傳輸速率比I2C更高（幾乎快兩倍）；

4. 分離的MISO和MOSI信號線，因此可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；

5. 極其靈活的數(shù)據(jù)傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；

6. 非常簡單的硬件結(jié)構(gòu)。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機(jī)使用主機(jī)時鐘，不需要精密時鐘振蕩器/晶振（與UART不同）。不需要收發(fā)器（與CAN不同）。

缺點(diǎn)

1. 使用四根信號線（I2C和UART使用兩根信號線）；

2. 無法確認(rèn)是否已成功接收數(shù)據(jù)（I2C擁有此功能）；

3. 沒有任何形式的錯誤檢查，如UART中的奇偶校驗(yàn)位；

4. 只允許一個主設(shè)備；

5. 沒有硬件從機(jī)應(yīng)答信號（主機(jī)可能在不知情的情況下無處發(fā)送）；

6. 沒有定義硬件級別的錯誤檢查協(xié)議；

7. 與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離；