SPI 串行外设接口

SPI简介：

串行外设接口（Serial Peripheral Interface Bus）SPI是一种用于芯片通信的同步串行通信接口规范，主要应用于单片机系统中。类似I²C。
由摩托罗拉公司于20世纪80年代中期开发，后发展成了行业规范。它的典型应用有SD卡与液晶显示器。

SPI设备之间使用全双工模式通信，是一个主机和一个或多个从机的主从模式。
主机负责初始化帧，这个数据传输帧可以用于读与写两种操作，片选线路可以从多个从机选择一个来响应主机的请求。

有时SPI接口被称作四线式接口，这是为了与其他不同线制的数据传输接口加以区分。
SPI准确来讲应为“同步串行接口”，但是它又与同步串行接口协议（SSI）是完全不同的两种协议。
虽然SSI也是一个四线式同步通信协议，但是它使用差分信号，而且仅提供一个单工通信信道。
于此相对地，SPI是一个单主机多从机的通信接口。

SPI总线规定了4个保留逻辑信号接口：

• SCLK（Serial Clock）：串列时脉，由主机发出
• MOSI（Master Output, Slave Input）：主机输出从机输入信号（数据由主机发出）
• MISO（Master Input, Slave Output）：主机输入从机输出信号（数据由从机发出）
• SS（Slave Select）/CS(Chip Select)：片选信号，由主机发出，一般是低电位有效

尽管上面的引脚名称是最常用的，但在过去，有时会使用其他引脚命名方式，因此旧的集成电路产品的SPI端口引脚名称可能有所不同。

操作

SPI总线的通信操作可以在单个主设备与一或多个从设备之间进行。

在只有单一从设备的情况下，如果从设备允许，SS引脚可以固定为逻辑低电平。然而有一些从设备需要片选信号的下降沿来触发动作。Maxim MAX1242 ADC就是一个例子，它在高→低转换时才会开始进行模数转换。对于多个从设备，每个从设备都需要一个独立的SS信号。

大多数从属设备​​具有三态逻辑的特性，所以当器件未被选中时，它们的MISO信号变为高阻抗（逻辑断开）。没有三态输出的器件不能与其他器件共享SPI总线段，但是可以使用外接的三态逻辑缓存来解决这个问题。

数据传输

为了开始通信，总线上的主设备需要使用从设备支持的频率来配置时钟，这个频率最高为几兆赫兹左右。然后主设备将某根连接到从设备SS的线上的信号置为0来选中这个从设备。如果等待时间是必要的话（例如进行模数转换），主设备必须等待满这段时间之后，才可以发出时钟周期信号。

在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。主设备在MOSI线上发送一个位，从设备读取它，同时从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。即使只有单向数据传输的目的，主从机之间的通信工作方式仍然是双工的。

传输通常会使用给定字长的两个移位寄存器，一个在主设备中，一个在从设备中，它们之间的连接方式形成了一个虚拟的环形拓朴结构。数据通常先从最高位移出。在时钟信号边沿，主机和从机均移出一位，然后在传输线上输出给对方。在下一个时钟沿，每个接收器都从传输线接受对方发出的数据位，并且从移位寄存器的最低位推入。每完成这样一个移出——推入的周期后，主机和从机就交换寄存器中的一位数据。当所有数据位都经过了这样的移出——推入过程后，主机和从机就完成了寄存器上的数据交换。如果需要交换的数据比寄存器的位数还要长的话，则需要重新加载移位寄存器并重复该过程。传输可能会持续任意数量的时钟周期。完成后，主设备会停止发送时钟信号，并通常会取消选择从设备。

传输寄存器通常包含8位。但是其他字长也很常见，例如触摸屏控制器或音频编解码器通常采用16位字长（如德州仪器的TSC2101），许多数模转换或者模数转换的设备则会采用12位字长。

所有在总线上的没有被片选线激活的从设备必须忽略输入时钟和MOSI信号，并且不得从MISO发送数据。

独立的从设备配置

在独立的从设备配置中，每个从设备都有独立的芯片选择线。 强烈建议在每个独立器件上使用电源和片选线之间使用上拉电阻，以减少器件之间的串扰。 这是SPI通常被使用的方式。 由于从机的MISO引脚连接在一起，因此它们需要为三态引脚（高，低或高阻抗）。

中断

SPI从设备有时会使用另一条信号线将中断信号发送到主设备的CPU。 例子包括来自触摸屏传感器的笔下中断，来自温度传感器的热限制警报，实时时钟芯片发出的警报， SDIO以及来自手机中声音编解码器的耳机插孔插入。 SPI标准中并不包括中断。 中断的使用既不被禁止也不被标准规定。

SPI代码示例

/*
 * 通过SPI协议在主设备和从设备之间交换一个字节的数据
 *
 * Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
 *   - 输入数据在SCLK的上升沿捕获。
 *   - 输出数据在SCLK的下降沿传播。
 *
 * 返回接收到的一字节的数据
 */
uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out)
{
    uint8_t byte_in = 0;
    uint8_t bit;

    for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {
        /* Shift-out a bit to the MOSI line */
        write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);

        /* Delay for at least the peer's setup time */
        delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);

        /* Pull the clock line high */
        write_SCLK(HIGH);

        /* Shift-in a bit from the MISO line */
        if (read_MISO() == HIGH)
            byte_in |= bit;

        /* Delay for at least the peer's hold time */
        delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);

        /* Pull the clock line low */
        write_SCLK(LOW);
    }

    return byte_in;
}

优点和缺点

优点

• SPI协议默认是全双工通信。
• 推挽式驱动器 （与开路漏极相反）可提供良好的信号完整性和高速度
• 比I²C或SMBus更高的吞吐量 。 不限于任何最大时钟速度，可实现高速运行
• 完整的传输位协议灵活性
• 不限于8位字
• 消息大小，内容和目的的任意选择
• 非常简单的硬件接口
• 由于电路较少（包括上拉电阻），因此通常比I²C或SMBus的功耗要低，
• 没有仲裁或相关的失败模式
• 从设备直接使用主时钟，不需要精密振荡器
• 从站不需要唯一的地址 - 不像I²C或GPIB或SCSI
• 不需要收发器
• IC封装只使用四个引脚，而电路板布局或连接器则少于并行接口
• 每个器件至多有一个独特的总线信号（芯片选择）;其他信号均可以共享
• 信号是单向的，允许简单的电偶分离
• 简单的软件实现

缺点

• 即使是三线式SPI，也需要比I²C更多的IC封装引脚
• 没有带内寻址; 共享总线上需要带外片选信号
• 从机没有硬件流量控制 （但主机可以延迟下一个时钟边沿以降低传输速率）
• 没有硬件从设备确认（主机可能无法传输并且不知道这一点）
• 通常只支持一个主设备（取决于设备的硬件实现）
• 没有定义错误检查协议
• 没有正式的标准，验证一致性是不可能的
• 与RS-232 ， RS-485或CAN总线相比，它只能处理短距离内的数据传输。 （距离可以通过使用收发器
• 如RS-422进行扩展）
• 有许多现有的变体，使得很难找到支持这些变体的主机适配器等开发工具
• SPI不支持热交换 （动态添加节点）。
• 中断必须通过带外信号来实现，或者通过使用类似于USB 1.1和2.0的定期轮询来伪造
• 一些变体，如双路SPI ， 四路SPI和三线SPI是半双工的。