SPI总线基础知识

概念

SPI（Serial Peripheral Interface），串行外设接口，是Motorola提出的一种高速的、全双工、同步的通信总线。SPI接口主要用于MCU与外围设备的通信，外围设备包括EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器等。 它以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或多个从设备。

物理接口

SPI在芯片的管脚上只占用四根线，分别是MOSI（数据输出），MISO（数据输入），SCLK（时钟），CS（片选）。

• MOSI：主机数据输出，从机数据输入；
• MISO：主机数据输入，从机数据输出；
• SCLK：时钟信号，由主机产生；
• CS：从机使能信号，由主机控制。
  
  SPI总线是可以一主多从的，如果一条SPI总线上确实需要挂接多个从设备，则MOSI，MISO，SCLK三条信号线是可以共用的，而CS（片选）信号线则需要独立连接。
  

电平逻辑

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)”。实质上每次SPI的数据传输都是主从设备在交换数据。SPI总线的传输中，CS信号是低电平有效的，当我们要与某外设通信的时候，需要将该外设上的CS线置低。在数据传输的过程中，每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样。如果之前接收到的数据没有被读取，那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃，导致SPI物理模块最终失效。因此，SPI在传输完数据后，必须读取SPI设备里的数据，即使这些数据在程序里是无用的。

SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性CPOL （Clock Polarity）和相位CPHA（Clock Phase）可以配置。CPOL，表示SCLK空闲的时候，其电平值是低电平还是高电平；CPHA，表示数据采样在第一个跳变沿还是第二个跳变沿。
CPHA=0，表示第一个边沿：
对于CPOL=0，SCLK空闲时是低电平，第一个跳变沿就是从低变到高，所以是上升沿；
对于CPOL=1，SCLK空闲时是高电平，第一个跳变沿就是从高变到低，所以是下降沿；
CPHA=1，表示第二个边沿：
对于CPOL=0，SCLK空闲时是低电平，第二个跳变沿就是从高变到低，所以是下降沿；
对于CPOL=1，SCLK空闲时是高电平，第一个跳变沿就是从低变到高，所以是上升沿；

帧协议

spi接口以帧为单位进行通信，每一帧从片选信号拉低开始，到片选信号拉高结束，根据CPHA和CPOL的值在每个时钟信号的相应位置采样一个输入和输出位，每8个位为一字节，无校验和应答位。

内部工作机制

SSPSR 是 SPI 设备内部的移位寄存器(Shift Register)。它的主要作用是根据 SPI时钟信号状态, 往 SSPBUF 里移入或者移出数据, 每次移动的数据大小由 Bus-Width 以及 Channel-Width 所决定。而SSPBUF寄存器则是CPU能直接访问的一个内存地址。

相比于uart和i2s等串行通信接口，spi在硬件实现上更为简易可靠，具备更高的有效通信带宽。