SPI接口基本原理与结构

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）是由Motorola（摩托罗拉）公司开发，用来在微控制器和外围设别芯片之间提供一个低成本、易使用的接口（SPI有时候也被称为4线接口）。这种接口可以用来连接存储器（存储数据)、 A/D转换器、 D/A转换器、实时时钟日历、 LCD驱动器、传感器、音频芯片，甚至其他处理器。支持SPI的元件很多，并且还一直在增加。

与标准的串行接口IIC不同，SPI是一个同步协议接口，所有的传输都参照一个共同的时钟，这个同步时钟信号由主机（处理器）产生，接收数据的外设（从设备）使用时钟来对串行比特流的接收进行同步化。可能会有许多芯片连到主机的同一SPI接口上，这时主机通过触发从设备的片选输入引脚来选择接收数据的从设备，没有被选中的外设将不会参与SPI传输。

SPI主要使用4个信号：主机输出/从机输入（MOSI）、主机输入/从机输出（MISO）、串行SCLK或SCK和外设芯片（CS）。有些处理器有SPI接口专用的芯片选择，称为从机选择（SS）。

MOSI信号由主机产生，从机接收。在有些芯片上， MOSI只被简单的标为串行输入(SI)，或者串行数据输入（SDI)。 MISO信号由从机产生，不过还是在主机的控制下产生的。在一些芯片上， MISO有时被称为串行输出（SO）或串行数据输出（SDO）。外设片选信号通常只是由主机的备用I/O引脚产生的。图2-51是微处理器通过SPI和外设进行连接的示意图。

主机和外设都包含一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器是通过MOSI信号线将字节传送给外设，外设也将自己移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机，如图2-52所示。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换了。外设的写操作和读操作是同步完成的，因此SPI成为一个很有效的协议。

如果只是进行写操作，主机只需忽略收到的字节；反过来，如果主机要读取外设的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

当主机发送一个连续的数据流时，有些外设能够进行多字节传输。许多拥有SPI接口的存储器芯片都以这种方式工作。在这种传输方式下，SPI外设的芯片选择端必须在整个传输过程中保持低电平。比如，存储器芯片会希望在一个“写”命令之后紧接着收到的是4个地址字节（起始地址)，这样后面接收到的数据就可以存储到该地址。一次传输可能会涉及千字节的移位或更多的信息。

其他外设只需要一个单字节（比如一个发给A/D转换器的命令)，有些甚至还支持菊花链连接，如图2-53所示。

在这个例子中，主机处理器从其SPI接口发送3个字节的数据。第1个字节发送给外设A，当第2个字节发送给外设A的 时候，第1字节已移出了 A，而传送给了 B。同样，主机想要从外设A读取一个结果，它必须再发送一个3字节（空字节）的序列，这样就可以把A中的数据移到B中，然后再移到C中，最后送回到主机。在这个过程中，主机还依次从B和C接收到字节。

注意，菊花链连接不一定适用于所有的SPI设备，特别是要求多字节传输的（比如存储器芯片）设备。另外，要对外设芯片的数据表进行仔细分析，确定能对它做什么而不能做什么。如果芯片的数据表中没有明确提到菊花链连接，那么该芯片不支持这种连接的几率为50%。

根据时钟极性和时钟相位的不同，SPI有4个工作模式。时钟极性有高、低两极：时钟极性为低电平时，空闲时时钟（SCK）处于低电平，传输时跳转到髙电平；时钟极性为高电平时，空闲时时钟处于高电平，传输时跳转到低电平。

时钟相位有两个：时钟相位0和时钟相位1，对于时钟相位0，如果时钟极性是低电平，MOSI和MISO输出在（SCK）的上升沿有效。如果时钟电平极性为髙，对于时钟相位0，这些输出在SCK的下降沿有效。 MISO输出的第X位是一个未定义的附加位，是SPI接口特有的情况。用户不必担心这个位，因为SPI接口将忽略该位。



参考资料：《嵌入式系统设计师》第2.4.5章节