嵌入式基础知识学习:SPI通信协议是什么?

SPI(Serial Peripheral Interface)是串行外设接口的缩写,是一种广泛应用于嵌入式系统的高速同步串行通信协议,由摩托罗拉公司于20世纪80年代提出。以下是其核心要点:


一、SPI的核心定义与特点

  1. 基本特性

    • 全双工同步通信:支持同时发送和接收数据,通过主设备提供的时钟(SCLK)实现精确时序同步。
    • 主从架构:一个主设备(Master)控制一个或多个从设备(Slave),通过片选信号(SS/CS)选择通信对象。
    • 四线制接口:包括SCLK(时钟)、MOSI(主发从收)、MISO(主收从发)、SS(片选)四根信号线,硬件连接简单。
    • 高速传输:无固定速率限制,实际应用中可达10 Mbps甚至更高。
  2. 工作原理

    • 数据交换:主从设备通过移位寄存器实现数据交换,每个时钟周期传输1位数据,通常从最高位(MSB)开始。
    • 片选机制:主设备通过拉低对应从设备的SS信号线激活通信,避免多从机数据冲突。
    • 无流控与寻址:SPI不定义应答机制或地址方案,需通过片选信号和时序协议控制通信。

二、SPI的四种工作模式

SPI的通信模式由**时钟极性(CPOL)时钟相位(CPHA)**组合决定:

  • CPOL:定义时钟空闲状态电平(0=低电平,1=高电平)。
  • CPHA:定义数据采样边沿(0=第一个边沿采样,1=第二个边沿采样)。
模式 CPOL CPHA 特点(以空闲状态为起点)
Mode0 0 0 上升沿采样,下降沿输出数据
Mode1 0 1 下降沿采样,上升沿输出数据
Mode2 1 0 下降沿采样,上升沿输出数据
Mode3 1 1 上升沿采样,下降沿输出数据

主从设备必须配置相同模式,否则通信失败。


三、SPI的典型应用场景

  1. 嵌入式系统外设连接

    • 存储器:如EEPROM、FLASH的读写操作。
    • 传感器与ADC/DAC:如温度传感器、加速度计、模数/数模转换器。
    • 显示与通信模块:如LCD驱动器、CAN控制器(如NX8615)。
  2. 工业与消费电子

    • 汽车电子、医疗设备、智能家居等需要高速数据传输的场景。

四、SPI的优缺点

优点 缺点
全双工高速传输,效率高 无内置流控和应答机制,可靠性依赖硬件设计
硬件实现简单,成本低 需多根信号线(相比I²C)
支持灵活时序配置 仅支持单主设备,扩展性受限
无需地址编码 片选信号占用较多引脚(多从机时)

总结

在电子工程领域,SPI主要指串行外设接口协议,其核心价值在于提供高效、灵活的设备间通信方式。理解其工作模式与硬件配置是嵌入式开发的关键基础。

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