【总线】一文看懂 SPI 通信协议
目录
SPI总线协议概述
串行与并行通信
SPI通信介绍
SPI的工作原理
时钟
从属选择
多个从站
常规方法
菊花链方法
MOSI 和 MISO
SPI 数据传输的步骤
SPI 的优缺点
优点
缺点
常见总线汇总
SPI总线协议概述
SPI是许多不同设备使用的通用通信协议。例如，SD卡读卡器模块、RFID卡读卡器模块和 2.4GHz无线发射器/接收器都使用 SPI 与微控制器进行通信。
电子设备之间的通信就像人与人之间的通信。双方都需要说同一种语言。在电子学中，这些语言被称为通信协议。常见的通信协议有SPI、UART、I2C等。
首先，我们将从一些关于电子通信的基本概念开始，然后详细解释SPI的工作原理。
SPI，I2C和UART比USB，以太网，蓝牙和WiFi等协议慢得多，但它们更简单，使用更少的硬件和系统资源。SPI、I2C 和 UART 非常适合微控制器之间以及不需要传输大量高速数据的微控制器和传感器之间的通信。
串行与并行通信
电子设备通过设备之间物理连接的电线发送数据位来相互通信。设备之间通过传递位来进行通信，位是二进制的，只能是1或0。通过电压的快速变化，位从一个设备传输到另一个设备。在5 V工作系统中，0V的电压值为0，而5V的电压值为1。
数据位可以并行或串行形式传输。在并行通信中，数据位同时发送，每个数据位都通过单独的导线发送。下图显示了字母“C”在二进制（01000011）中的并行传输：
在串行通信中，位通过单根线逐个发送。下图显示了字母“C”在二进制（01000011）中的串行传输：
SPI通信介绍
SPI的一个独特优势是数据可以不间断地传输。可以在连续流中发送或接收任意数量的位。使用I2C和UART，数据以数据包形式发送，限制为特定数量的位。开始和停止条件定义了每个数据包的开始和结束，因此数据在传输过程中会中断。
通过SPI进行通信的设备处于主从关系中。主站是控制设备（通常是微控制器），而从站（通常是传感器、显示器或存储芯片）从主站获取指令。SPI最简单的配置是单个主站，单从系统，但一个主站可以控制多个从站（下面将详细介绍）。
MOSI（主输出/从输入）：主站将数据发送到从站的线路。
MISO（主输入/从输出）：从站将数据发送到主站的线路。
SCLK（时钟）：时钟信号的线。
SS/CS（从机选择/芯片选择）：主站选择线，用于选择要将数据发送到哪个从机。
| 所需的线 |
2 |
| 最大速率 |
高达10Mbps |
| 同步或异步 |
同步 |
| 串行或并行 |
串行 |
| 主机的最大个数 |
1 |
| 从机的最大个数 |
理论上没有限制 |
在实践中，从站的数量受到系统负载电容的限制，这降低了主站精确切换电压电平的能力。
SPI的工作原理
时钟
时钟信号将主站的数据位输出与从器件的位采样同步。每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度由时钟信号的频率决定。SPI通信始终由主站启动，因为主站配置并生成时钟信号。
设备共享时钟信号的任何通信协议都称为同步。SPI 是一种同步通信协议。还有一些不使用时钟信号的异步方法。例如，在UART通信中，双方都设置为预配置的波特率，该波特率决定了数据传输的速度和时间。
SPI中的时钟信号可以使用时钟极性和时钟相位属性进行修改。这两个属性协同工作，以定义何时输出位以及何时对位进行采样。时钟极性可由主器件设置，以允许在时钟周期的上升沿或下降沿输出和采样位。时钟相位可以设置为在时钟周期的第一边沿或第二边沿上进行输出和采样，无论它是上升还是下降。
在SPI中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。CPOL 位设置空闲状态期间时钟信号的极性。空闲状态定义为 CS 为高并在传输开始时转换为低电平的周期，以及当 CS 处于低电平并在传输结束时转换为高电平的周期。CPHA 位选择时钟相位。根据CPHA位，上升或下降时钟沿用于采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。根据 CPOL 和 CPHA 位选择，提供四种 SPI 模式。表中显示了四种SPI模式。
| SPI 模式 |
CPOL |
CPHA |
空闲状态下的时钟极性 |
用于采样和/或移位数据的时钟相位 |
| 0 |
0 |
0 |
逻辑低电平 |
数据在上升沿采样，在下降沿移出 |
| 1 |
0 |
1 |
逻辑低电平 |
数据在下降沿采样，在上升沿移出 |
| 2 |
1 |
0 |
逻辑高电平 |
数据在上升沿采样，在下降沿移出 |
| 3 |
1 |
1 |
逻辑高电平 |
数据在下降沿采样，在上升沿移出 |
下图展示了 SPI 的四种模式下的通信示例，在这些示例中，数据显示在 MOSI 和 MISO 线路上。传输的开始和结束由虚线绿色表示，采样边缘以橙色表示，移位边缘以蓝色表示。
模式0
在此模式下，时钟极性为 0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为 0，表示数据在上升沿（由橙色虚线显示）上采样，数据在时钟信号的上升沿（由蓝色虚线显示）上移动。
模式1
在此模式下，时钟极性为 0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为 1，表示数据在下降沿（由橙色虚线显示）上采样，数据在时钟信号的下降沿（由蓝色虚线显示）上移动。
模式2
在此模式下，时钟极性为 0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为 1，表示数据在下降沿（由橙色虚线显示）上采样，数据在时钟信号的上升沿（由蓝色虚线显示）上移动。
模式3
在此模式下，时钟极性为 0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为 1，表示数据在下降沿（由橙色虚线显示）上采样，数据在时钟信号的上升沿（由蓝色虚线显示）上移动。
从属选择
主站可以通过将从站的CS/SS线路设置为低电平来选择要与之通信的从站。在空闲、非发射状态下，从机选择线保持在高电平。主站上可能有多个 CS/SS 引脚，允许多个从站并联接线。如果只有一个 CS/SS 引脚，则可以通过菊花链将多个从器件连接到主站。
多个从站
常规方法
SPI可以设置为使用单个主站和单个从站工作，也可以设置由单个主站控制的多个从站。有两种方法可以将多个从站连接到主站。如果主站有多个从机选择引脚，则从站可以并联，如下所示：
在常规模式下，需要从主机为每个从机选择单个芯片。一旦芯片选择信号被主机使能（拉低），MOSI/MISO线路上的时钟和数据就可用于所选子节点。如果启用了多个芯片选择信号，则MISO线路上的数据将损坏，因为主节点无法识别哪个子节点正在传输数据。
从图中可以看出，随着子节点数量的增加，芯片从主节点中选择的线的数量也在增加。这可以迅速增加主机所需的输入和输出数量，并限制可以使用的从机数量。有不同的技术可用于增加常规模式下的从机数量;例如，使用多路复用器生成芯片选择信号。
菊花链方法
如果只有一个从机选择引脚可用，则从器件可以按菊花链形式排列，如下所示：
在菊花链模式下，从机的配置使得所有从机的芯片选择信号绑定在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有子节点从机接收相同的SPI时钟。来自主机的数据直接连接到第一个从机，该从机向下一个从机提供数据，依此类推。
在这种方法中，当数据从一个从机传播到下一个从机时，传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成正比。例如，在图中，在8位系统中，需要24个时钟脉冲才能在3上使用数据。而第三个从机在常规SPI模式下只有8个时钟脉冲。图中展示了时钟周期和通过菊花链传播的数据。并非所有SPI器件都支持菊花链模式。
MOSI 和 MISO
主机通过MOSI线以串行方式逐位向从机发送数据。从机接收从MOSI引脚的主器件发送的数据。从主机发送到从机的数据通常以最高有效位优先发送。
从机还可以通过MISO线路串行将数据发送回主机。从从机发送回主机的数据通常首先以最低有效位发送。
SPI 数据传输的步骤
1、主机输出时钟信号：
2、主机将 SS/CS 引脚切换到低电平状态，来激活从机：
3、主机沿 MOSI 线路一次一位地将数据发送到从站。从机读取接收到的位：高位先读到
4. 如果需要响应，从机沿MISO线一次一位地将数据返回给主机。主机在接收到位时读取：低位先读到
SPI 的优缺点
使用SPI有优点和缺点，在不同的通信协议之间进行选择，应根据项目的要求知道何时使用SPI：
优点
- 没有启动和停止位，因此数据可以连续流式传输而不会中断
- 没有像I2C那样复杂的从地址系统
- 数据传输速率高于 I2C（几乎是 I2C 的两倍）
- 独立的MISO和MOSI线，因此可以同时发送和接收数据
缺点
- 使用四根电线（I2C 和 UART 使用两根电线）
- 没有校验是否成功接收数据（I2C 具有此值）
- 没有像UART中的奇偶校验位那样的错误检查形式
- 仅允许单个主机
常见总线汇总
【总线】一文看懂 UART 通信协议
【总线】一文看懂 I2C 通信协议