浅谈 SPI 总线协议

简介

SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行三线方式进行通信：一条时钟线SCK，一条数据输出线MOSI（Master Output Slave Input），一条数据输入线MISO（Master Input Slave Output）。SPI是Serial Peripheral Interface的缩写。

SPI是全双工的，一般用于单主机（Master）的场合。SPI总线上的从机（Slave）没有地址的概念，主机只能通过与从机连接的片选线（CS/SS）激活一个从机，进行数据传输。所以从机越多，带来的不便就是片选线相应增多。

SPI一般用于片间传输，不适合用于设备间数据传输，Motorola白皮书没有明确规定SPI的传输距离。但是根据经验，考虑干扰和高速带来的不可靠性，最好保持在50CM内。传输速率上，已知的有的器件SPI已达到50Mbps，一般也能达到5Mbps左右，总体来说比IIC要快。在无人机应用上，SPI一般用于云台的IMU与MCU的数据传输，因为云台尤其是搭载高倍变焦的相机的云台需要更高的实时性，而飞控的IMU用IIC总线或者CAN总线就能满足要求。

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硬件连接

主机和从机通过上图的方式接入总线，前面说到，每个从机都有一条片选线与主机相连，就是上图的CS线。其中SCK的时钟信号由主机产生。

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通讯过程

1）预设置

主机通过把对应的片选线置低来选择对应的从机，如把与一号从机连接的片选线置低表示与一号从机通信。发送接收的过程按照SCK时钟线的节奏进行。

初始化时需要先设置时钟相位（CPHA）和时钟极性（CPOL）：

1. CPHA：时钟相位，表示SPI设备是在SCK的时钟信号变为上升沿时触发数据采样，还是在下降沿时触发数据采样。若CPHA被设置为1，数据发送发生在时钟从有效状态转到空闲状态的那一时刻，数据接收发生在时钟从空闲状态转到有效状态的那一时刻。这里空闲和有效对应是高电平或低电平与CPOL的设置有关。
2. CPOL：时钟极性，表示SPI在空闲时，时钟信号是高电平还是低电平。若CPOL被设为1，那么该设备在空闲时SCK的时钟信号为高电平。

2）数据交换

下图中的SSPBUF（Synchronous Serial Port Buffer）指SPI设备里面的内部缓冲区，一般在物理上是以FIFO的形式，保存传输过程中的临时数据。SSPSR是SPI设备内部的移位寄存器（Shift Register），它的主要作用是根据SPI时钟信号状态，往SSPBUF里移入或者移出数据，每次移动的数据大小由Bus-Width以及Channel-Width所决定。

Bus-Width的作用是指定地址总线到Master之间数据传输的单位。
Channel-Width的作用是指定Master与Slave之间数据传输的单位。与Bus-Width相似，Master内部的移位寄存器会依据Channel-Width自动地把数据从SSPBUF里通过SDO搬运到Slave里的SDI，Slave的SSPSR再把每次接收的数据移入SSPBUF里。

通常情况下，Bus-Width总是会大于或等于 Channel-Width，这样能保证不会出现因Master与Slave之间数据交换的频率比地址总线与Master之间的数据交换频率要快，导致SSPBUF里面存放的数据为无效数据这样的情况。

我们知道，在每个时钟周期内，Master与Slave之间交换的数据其实都是SPI内部移位寄存器从SSPBUF里面拷贝的。我们可以通过往SSPBUF对应的寄存器（Tx-Data/Rx-Data Register）里读写数据，间接地操控SPI设备内部的SSPBUF。

举个例子，在发送数据之前，我们应该先往Master的Tx-Data寄存器写入将要发送出去的数据，这些数据会被SSPSR移位寄存器根据Bus-Width自动移入SSPBUF里，然后这些数据又会被SSPSR根据Channel-Width从SSPBUF中移出，通过Master的SDO管脚传给Slave的SDI管脚，Slave的SSPSR则把从SDI接收到的数据移入SSPBUF里。
与此同时，Slave的SSPBUF里面的数据根据每次接收数据的大小（Channel-Width），通过Slave的SDO发往Master的SDI，Master的SSPSR再把从SDI接收的数据移入SSPBUF。在单次数据传输完成之后，用户程序可以通过从Master设备的Rx-Data寄存器读取Master设备数据交换得到的数据。