SPI接口与通信协议

一、SPI概述

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI，是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM、FLASH、传感器、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间，是一种全双工同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI是一个环形总线结构，由MOSI、MISO、SCLK、CS构成，其时序其实很简单，主要是在SCLK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

（1）MOSI – (master output slave input) 主器件数据输出，从器件数据输入；

（2）MISO – (master input slave output) 主器件数据输入，从器件数据输出；

（3）SCLK – (Serial clock) SPI时钟信号，由主器件产生；

（4）CS – (Chip select) 从器件使能信号，由主器件控制。

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

优点：

（1）支持全双工，push-pull的驱动性能相比open-drain信号完整性更好；

（2）支持高速（100MHz以上）；

（3）协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长；

（4）硬件连接简单；

缺点：

（1）相比IIC多两根线，没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备；

（2）没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知；

（3）典型应用只支持单主控；

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。如下图所示，在SCLK的上升沿上数据改变，同时一位数据被存入移位寄存器。

二、硬件电路

SPI电路中只能有一个主机，也就是只是单主模式，可以支持单主单从和单主多从电路。

1、单主单从

2、单主多从，通过多个片选信号和菊花链的方式实现

四、SPI通信协议

1、SPI的4种模式

spi四种模式由SPI的时钟相位(CPHA)和时钟极性(CPOL)决定，分别可以为0或1，对应的4种组合构成了SPI的4种模式(mode)

CPOL: (Clock Polarity), 时钟极性

当CPOL为0时,时钟空闲时电平为低;

当CPOL为1时,时钟空闲时电平为高;

CPHA:(Clock Phase), 时钟相位

当CPHA为0时,时钟周期的上升沿采集数据，时钟周期的下降沿输出数据;

当CPHA为1时,时钟周期的下降沿采集数据，时钟周期的上升沿输出数据;

Mode 0 : CPOL=0, CPHA=0 

Mode 1 : CPOL=0, CPHA=1

Mode 2 : CPOL=1, CPHA=0 

Mode 3 : CPOL=1, CPHA=1

四种模式如下图所示：

SD卡的spi常用的是mode 0 和mode 3，这两种模式的相同的地方是都在时钟上升沿采样传输数据，区别这两种方式的简单方法就是看空闲时，时钟的电平状态，低电平为mode 0 ，高电平为mode 3。

2、SPI读写协议

SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致，有2层意思：其一，主设备SPI时钟和极性的配置应该由外设来决定；其二，二者的配置应该保持一致，即主设备的SDO同从设备的SDO配置一致，主设备的SDI同从设备的SDI配置一致。因为主从设备是在SCLK的控制下，同时发送和接收数据，并通过2个双向移位寄存器来交换数据。

以SPI读写为例

片选---读指令---地址---数据读出

片选---读指令---地址---数据写入