通讯协议学习-SPI通信（2）

1.名词解释

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种串行，全双工的三线同步总线，SPI接口比UART相比，多了一根时钟线。

SPI接口总线使用四条线：
串行时钟线-------------------------SCK；
主机输入/从机输出数据线------------MISO；
主机输出/从机输入数据线------------MOSI；
低电平有效的从机选择线-------------SSN；

在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机，主机通过片选线来确定要通信的从机，这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该线在器件未被选通时表现为高阻态。

主机和从机模式区别在于：
主模式就是SPI主机，简单说就是提供SCK的那方。
从模式就是被动接受SCK的那方。

2.SPI通信原理

SPI以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少四根线（事实上在单向传输时，3根也可以）。

其中SSN是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电平或低电平），从机芯片才有效，这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就是负责通讯的三根线，通讯是通过数据交换完成的，首先SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。

这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO（SDI：数据输入，SDO：数据输出）则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取，完成一位数据位传输，输入亦是如此，这样在至少8次时钟信号的改变。（上升沿和下降沿为一次，就可以完成8位数据传输）

要注意的是SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线，同样在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这种传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不通，普通的串行通讯方式一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

SPI也是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。
在点与点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，这也是它的缺点，没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI传输模式

SPI传输模式有四种，是由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）来决定的。

首先对于一个时钟周期而言，有两个edge（边沿，即时钟电平变化的时刻，有上升沿（rising edge）或下降沿（falling edge））,

（1） leading edge = 前一个边沿 = 第一个边沿，对于开始电平是“1”，那么就是“1”变成“0”的时候。

（2） trailing edge = 后一个边沿 = 第二个边沿，对于开始电平是“0”，那么就是“0”变成“1”的时候。

因此SPI的CPOL表示的是SCLK空闲的时候，其电平的值是低电平“0”还是高电平“1”。CPHA表示数据采样，数据有效的时刻，相位对应着数据采样是在第几个边沿，“0”对应着第一个边沿，“1”对应着第二个边沿。

因此CPOL与CPHA对应着四种组合:

CPHA = 0 ,表示第一个边沿采样，
对于CPOL = 0，idle 的时候是低电平，第一个边沿是从低到高，所以是上升沿。
对于CPOL = 1，idle 的时候是高电平，第一个边沿是从高到低，所以是下降沿。

CPHA = 1，表示第二个边沿采样，
对于 CPOL =0，idle 的时候是低电平，第二个边沿是从高到低，所以是下降沿。
对于CPOL = 1，idle的时候是高电平，第二个边沿是从低到高，所以是上升沿。

3.SPI数据交换

SPI协议是一个环形总线结构， 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设备不能再数据通信过程中仅仅只充当一个“发送者”或“接收者”，在时钟脉冲SCK周期下，SPI设备都会发送并接受一个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。

假设主机的8位寄存器SPIDATA1内数据为10101010，从机的8位寄存器SPIDATA2内数据为01010101，在上升沿的时候发送数据，在下降沿的时候接收数据，最高位的数据先发送。

主机和从机之间为全双工通信，也就是说两个SPI接口同时发送和接收数据。

当第一个上升沿来时，SPIDATA1将最高位1移除，并将所有数据左移一位，这时MOSI线为高电平。SPIDATA2将最高位0移除，并将所有数据左移一位，这时MISO线为低电平。

当下降沿到来时，SPIDATA1将锁存在MISO线上的电平移入最低位，同样SPIDATA2将锁存在MOSI线上的电平移入最高位。

经过8个脉冲后，两个一位寄存器就实现了数据交换，也就完成了一个SPI时序。