SPI 协议的解析

        

目录

1、SPI 的硬件层

1.1、SPI接口的信号线

1.2、SPI通信常见的连接方式

2、SPI的通信协议

2.1、起始信号

2.2、停止信号

2.3、数据有效性

2.4、时钟的同步

3、SPI的四种工作模式

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        SPI协议是由摩托罗拉公司提出的一种串行外围设备通信接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在ADC、LCD、存储器等设备中，包括一些需要与MCU之间有较高通讯速率要求的场合中。

1、SPI 的硬件层

        SPI是采用主从模式的一种通信方式，它支持一主一从、一主多从，但是不支持多主机模式。

常见的一主多从的连接方式如下：

1.1、SPI接口的信号线

        SPI接口共有四根信号线，它们分别如下：

        SCLK：时钟信号线。由主机产生并控制。

        MOSI：主机数据输出，从机数据输入。（主出从入）

        MISO：主机数据输入，从机数据输出。（主入从出）

        NSS：从机片选使能信号线。该信号由主机进行控制。在一主对多从的模式下，每一个从机都需要一个NSS，用于主机选择和那个从机进行通信（一般为低电平有效）。当一个SPI设备需要发送广播数据，它必须拉低NSS信号，以通知所有其它的设备它是主设备。

1.2、SPI通信常见的连接方式

（1）SPI通信配置为全双工的连接方式：

        这种连接方式允许主从机之间互相进行通信，时钟均由主机产生。

（2）单工模式 —— 主机接收，从机发送

        这种模式下由主机产生时钟SCK，主机只能收到从机上报的数据，不能向从机下发数据。

（3）单工模式 —— 主机发送，从机接收

        这种模式下由主机产生时钟SCK，主机只能向从机下发数据，不能接收从机上报的数据。常见的应用有带SPI接口的LCD显示屏。

（4）双向通信的连接方式

2、SPI的通信协议

        SPI的协议定义了通信的起始信号、停止信号、数据有效性、时钟同步等。它的通讯时序如下：

图：SPI通信时序图

        这是一个主机的通信时序，信号线 NSS、SCK、MOSI 都是由主机控制，MISO 是由从机进行控制。其中 MOSI 和 MISO 上的数据仅在 NSS 为低时才有效，并且每个SCK 时钟周期只交换一位数据。

2.1、起始信号

        SPI通信时序图中的①为通信的起始信号，由主机控制NSS从高电平到低电平，从而选择要进行通信的从机，再通过主机产生时钟信号SCK，启动一次数据的传输。

2.2、停止信号

        SPI通信时序图中的⑥为通信的起始信号，由主机控制NSS从低电平到高电平，从而结束一次数据的传输。

2.3、数据有效性

        SPI 在 SCK 时钟的同步下进行数据的准备和采样，如通信时序图的②③④⑤所示。在 NSS 为低的情况时，在 SCK 的上升沿时 MISO 和 MOSI 进行数据准备，SCK 的下降沿时读取 MISO 和 MOSI 上的数据。在 NSS 为高时，MISO 和MOSI 上的数据无效。

2.4、时钟的同步

        SPI 的数据传输是需要 SCK 时钟信号严格同步的，每一个 SCK 周期只传输一位数据，这一个周期里要完成数据的准备和采样，且数据的输入和输出是同时进行的。

        SPI中数据是MSB 先行或 LSB先行，在协议中是没有硬性规定，只需通信双方保持统一即可。

        SPI 一次数据传输可以是 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

3、SPI的四种工作模式

        SPI 一共有四种工作模式。它们的区别是：

        1）总线空闲时 SCK 的电平状态

        2）数据开始采样的时刻。

        这四种模式是通过 “时钟极性 CPOL” 和 “时钟相位 CPHA” 的电平来实现和区分的。如下：

        1）CPOL=0 时，SCK 引脚在空闲状态保持低电平；

        2）CPOL=1 时，SCK 引脚在空闲状态保持高电平；

        3）CPHA=0 时，SCK 时钟的第一个边沿进行采样；

        4）CPHA =1 时，SCK 时钟的第二个边沿进行采样。

        时钟相位CPHA =1 ，数据在SCK 时钟的第二个边沿采样的时序图如下：

        时钟相位CPHA =0 ，数据在SCK 时钟的第一个边沿采样的时序图如下：

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