SPI通信协议详解

简介

与 I2C 一样， SPI 也是很常用的通信协议（ Motorola 公司推出），且二者都支持“一主多从”通信，很多常见的模块（芯片）都支持了该通信协议。相比 I2C 接口， SPI 接口的通信速度更快（ I2C 最高 400KHz，而 SPI 最高可达几十MHz），且支持全双工通信。

想了解I2C通信的可以看我之前写的这篇帖子：IIC(I2C)通信协议详解

1 电气连接

SPI通信的接线比I2C稍微复杂些，所以很需要一张图来说明。在SPI通信中，一般需要4根线。准确来说是3+N。N是从机的数量。

电气接线作用如下：

• CS/SS， Slave Select/Chip Select，这个是片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。 I2C 主机是通过发送从机设备地址来选择需要进行通信的从机设备的， 而SPI 主机不需要发送从机设备，直接将相应的从机设备片选信号拉低即可。所以有几个从机参与了SPI通信，就需要几根CS/SS信号线。
• SCK， Serial Clock，串行时钟，为通信提供时钟信号。
• MOSI/SDO， Master Out Slave In/Serial Data Output，简称主出从入信号线，这根数据线只能用于主机向从机发送数据，也就是所谓的主机输出，从机输入。
• MISO/SDI， Master In Slave Out/Serial Data Input，主入从出信号线，与MOSI相反，这根数据线只能从机向主机发送数据，也就是所谓的主机输入，从机输出。

记忆这4种接线的时候，只需要记住英文全称就可以反推出其简称。

2 通信过程

2.1 工作模式

SPI 有四种工作模式，通过串行时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)来实现（CPOL和CPHA的值可通过寄存器来设置）。

• CPOL=0，串行时钟空闲状态为低电平。
• CPOL=1，串行时钟空闲状态为高电平。
• CPHA=0，串行时钟第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。
• CPHA=1，串行时钟第二个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。

四种工作模式下的数据交换如下图所示：

2.2 通信时序

SPI的通信线增多了，通信也变得简单了起来，以常见的CPOL = 0和CPHA = 0为例，其通信时序如下所示。

首先通过将CS/SS线上的电平拉低，来实现片选，选择了具体的从机（芯片）后，便可发送时钟信号，根据时钟周期进行通信了，且可同时收发数据，十分高效。

还有一个好处，由于片选线的存在，避免了多个从机通信时候的总线冲突，因此不需要I2C那样外接上拉电阻。

当然SPI通信也是有缺点的，

1. SPI既没有UART通信那样的奇偶校验，也没有I2C那样的应答机制，所以并不能保证通信数据的准确性。
2. 当从机较多的时候，会出现较多的通信线，这对于硬件设计师来说并不是一个好消息。在布线的过程中，不仅仅需要考虑到线路的交叉，还要考虑到信号的相互影响等等因素。