SPI通讯协议必备知识。

一、SPI简介

• SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。

• 它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。

二、基本原理

1. 物理层

• SPI内部结构图：
  

• SPI连接方式图：
  

• 引脚介绍
  SPI通讯采用3条总线以及片选线，即上图中的SCK、MOSI、MISO、SS。

（1）：（SS）'为片选信号线，也被称为NSS、CS，其功能是寻址。在STM32中，I2C是通过设备地址来选择不同的设备，但SPI没有设备地址，只能通过CS信号线来寻址，因此每个设备都有一条单独的CS信号线与主机相连。当CS信号线设置为低电平时，即该设备被选中，选中后就可以进行SPI通信，CS信号线被拉高，作为结束信号。

（2）：SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于同步通讯数据。它由通讯主机产生，并决定通讯的速率，但由于不同设备的最高通讯速率不同，当两个设备通讯时，受限于设备的最低速率。在STM32中，SPI时钟频率最大为fpclk/2。手册规定SPI最快为18MHz，但SPI1挂载在APB2时钟总线下，理论最快为36MHz。

（3）：MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

（4）：MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

2.协议层

2.1 SPI通讯基本过程

• 通讯时序图：
  
• 这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生，而 MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。

2.2 通讯的起始和停止信号

• 在上图中的标号（1）处，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。

• NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。

• 在图中的标号（6）处，NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

2.3 数据有效性

• SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用图中的 MSB 先行模式。

• 观察图中的（2）、（3）、（4）、（5）、标号处，MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在 SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻，MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI 及 MISO为下一次表示数据做准备。

• SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

2.4 . CPOL/CPHA 及通讯模式

• SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。由“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”决定。
• 时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。
• 时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。
• 奇数边沿采样：
  
• 偶数边沿采样：
  
• MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变，数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。
• SPI的四种模式：