嵌入式系统中SPI 子系统基本原理实现
1、SPI hardware
SPI：Serial Perripheral Interface，串行外围设备接口，由 Motorola 公司提出，是一种高速、全双工、同步通信总线。SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，无应答机制。
本文我们讲解标准的 4 线 SPI，四根线如下：
①、CS/SS，Slave Select/Chip Select，片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。
②、SCK，Serial Clock，串行时钟，和 I2C 的 SCL 一样，为 SPI 通信提供时钟。
③、MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，主输出从输入。
④、MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，主输入从输出。
2、SPI 四种工作模式
SPI 有四种工作模式，通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式：
①、CPOL=0，串行时钟空闲状态为低电平。
②、CPOL=1，串行时钟空闲状态为高电平。
③、CPHA=0，串行时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。
④、CPHA=1，串行时钟的第二个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。
示例波形图如下：
SPI 是全双工的，所以读写时序可以一起完成。
3、SPI 传输机制
从图可以看出，主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
虽然 SPI 四线制支持读写同时进行，但实际上我们很多时候并不需要又读又写，见以下两种情况（参考 BMA223 数据手册）：
注意：如下三幅图示均为 CPOL=1，CPHA=1
1、主机向从机写数据
主机发送先发送 8 bits，第一个 bit 为 0 代表这次主机是想写数据到从机，AD6~AD0 表示要写的寄存器地址。然后，主机就会一直写下去。在这期间 SDO 一直没用，一直是高阻态，算是一直读到1。
2、主机从从机读数据
这种情况下，主机先发送 8 bits，第一位为 1 代表这次是读，然后 AD6 ~ AD0 是想要读的寄存器地址，然后 SDO 开始返回数据。
4、SPI timing diagram
Tcsb_setup：建立时间
Tcsb_hold：保持时间
tsckl：低电平时间
tsckh：高电平时间
SCK period ：Tsckl + tsckh
一般情况下 Tsckl = tsckh
注意：真实的波形图如上，高低电平并不是到达最高点才算，0.3Vdd 以下为低电平，0.7Vdd 以上为高电平，计算信号时间长度的时候需要注意这个微小的时间，硬件设计必须注意信号质量风险，软件开发人员也要会看波形图。
这里的参数，一般 spi 驱动不需要设置，但是半导体厂商提供的 spi 控制器驱动中，可以修改这些参数。我们写 SPI 驱动时候，可以根据从设备的要求来修改这些参数。
5、DMA 与 FIFO
不同平台对于 SPI FIFO 和 DMA 的 buffer size 设置不同：
传输 32bytes 以下使用 FIFO，传输 32bytes 以上使用 DMA。
DMA 可以自动发起多次传输，一次最大 256K 。
6、I2C 与 SPI 对比
| 功能 | I2C | SPI |
|---|---|---|
| 线数 | 2(SDA,SCL) | 4(MOSI,MISO,SCLK,CS) |
| 主机数量 | >=1 | ==1 |
| 类型 | 半双工 | 全双工 |
| 回应机制 | yes | no |
| 速度 | <=3.4Mbps | high |
| 应用 | 重要数据 | 大量数据 |
| 流控 | yes | no |
| 设备地址 | yes | no |
| 常规用途 | 命令 | 数据 |
I2C 和 SPI 的速率如下：
| I2C模式 | 速度 |
|---|---|
| 标准 | 100KHz |
| 快速 | 400KHz |
| 快速+ | 1MHz |
| 高速 | 3.4MHz |
SPI 速率：几十 MHz 甚至上百 MHz，速度取决于 CPU 的 SPI 控制器和时钟 clock
STM32F103 的 SPI 最高支持 18MHz，imx6ull 的 SPI 最高支持 52MHz，其他芯片一般用不到更高的，因为速度越快波形质量越不好，越容易出问题。
具体采用多大速率还和外设有关，比如 EEPROM 的 W25Q128 的 SPI 最高支持 80MHz，ICM20608 传感器的 SPI 最高支持8MHz。一般用在 flash 上的速度会较快。
7、扩展
SPI 协议其实是包括：Standard SPI、Dual SPI 和 Queued SPI 三种协议接口。
Dual SPI 还是四线制，只是传输线可以变为同方向，速度是 Standard SPI 的两倍。
Queued SPI 是六线制，多了两根数据线，传输速度是 Standard SPI 的四倍。