超全面！SPI通信協(xié)議詳解，一篇就夠

什么是SPI？

SPI的英文全稱(chēng)為Serial Peripheral Interface，顧名思義為串行外設(shè)接口。SPI是一種同步串行通信接口規(guī)范，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的短距離通信。該接口由摩托羅拉在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)，后發(fā)展成了行業(yè)規(guī)范。

SPI簡(jiǎn)介？

SPI是一種高速的、全雙工的、同步的通信總線，并且至多僅需使用4根線，節(jié)約了芯片的管腳，SPI主要應(yīng)用于EEPROM、FLASH、ADC、DAC等芯片，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。SPI設(shè)備之間采用全雙工模式通信，是一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或者多個(gè)從機(jī)的主從模式。主機(jī)負(fù)責(zé)初始化幀，這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸幀可以用于讀與寫(xiě)兩種操作，片選線可以從多個(gè)從機(jī)選擇一個(gè)來(lái)響應(yīng)主機(jī)的請(qǐng)求。SPI接口定義如下表：由上表也可以看出當(dāng)SPI設(shè)備間通信時(shí)，數(shù)據(jù)線應(yīng)該是MOSI連接MOSI，MISO連接MISO，SCLK與SCLK相連，而不是像串口那樣TX、RX進(jìn)行反接。當(dāng)只有單一SPI從機(jī)設(shè)備時(shí)，如果從機(jī)設(shè)備允許的話，可直接將CS/SS線固定在低電平。然而類(lèi)似于MAX1242這款需要CS/SS線的下降沿來(lái)觸發(fā)的芯片，則必須將CC/SS線與主機(jī)相連。如下圖，為一主一從連接方式。
對(duì)于多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，則每個(gè)從機(jī)都需要一根CS/SS線來(lái)與主機(jī)相連，從而達(dá)到主機(jī)能與任一從機(jī)通信的目的。如下圖，為一主多從的連接方式。大多數(shù)從機(jī)設(shè)備都有著三態(tài)邏輯的特性，因此當(dāng)設(shè)備未被選中時(shí)，它們的MISO信號(hào)線會(huì)變成高阻抗?fàn)顟B(tài)（電氣斷開(kāi)）。沒(méi)有三態(tài)輸出的設(shè)備則需外接三態(tài)緩沖器才能與其他的從機(jī)設(shè)備共享SPI總線。

數(shù)據(jù)傳輸

在SPI通信中，SPI主機(jī)設(shè)備以從機(jī)設(shè)備支持的頻率通過(guò)SCLK線給到SPI從機(jī)設(shè)備，這點(diǎn)也意味著從機(jī)是無(wú)法主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的，只能主機(jī)輪詢(xún)向從機(jī)發(fā)或者從機(jī)設(shè)備主動(dòng)通過(guò)一個(gè)IO口來(lái)告知主機(jī)數(shù)據(jù)到達(dá)。在SPI每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，都會(huì)進(jìn)行一次全雙工數(shù)據(jù)的傳輸。主機(jī)通過(guò)MOSI線上發(fā)送1bit時(shí)，從機(jī)也會(huì)在讀取到之后通過(guò)MISO線發(fā)送1bit數(shù)據(jù)出去。這說(shuō)明，即使只進(jìn)行單工通信，也會(huì)保持此通信順序。SPI傳輸通常涉及到兩個(gè)給定了字長(zhǎng)的移位寄存器。例如在主機(jī)、從機(jī)中的8bit的移位寄存器。它們以虛擬環(huán)形拓?fù)溥B接，數(shù)據(jù)通常先從最高有效位被移出。在時(shí)鐘沿，主機(jī)和從機(jī)都移出1bit數(shù)據(jù)從傳輸線上給到對(duì)方。在下一個(gè)時(shí)鐘邊沿來(lái)到時(shí)，雙方的接收器再對(duì)傳輸線上的該bit進(jìn)行采樣，并將其設(shè)置為移位寄存器的新的最低有效位。在寄存器位被移出和移入后，主機(jī)和從機(jī)交換了寄存器值。如果需要交換更多數(shù)據(jù)，則重新加載移位寄存器并重復(fù)該過(guò)程。傳輸可以持續(xù)任意數(shù)量的時(shí)鐘周期。完成后，主機(jī)停止切換時(shí)鐘信號(hào)。如下圖，為主從機(jī)之間的交互時(shí)的移位寄存器示意圖。其中上圖的通信流程如下：
1.SPI主機(jī)首先現(xiàn)將SS或CS線拉低，以此來(lái)告知SPI從機(jī)通信開(kāi)始。2.主機(jī)通過(guò)發(fā)送SCLK時(shí)鐘信號(hào)，來(lái)告知從機(jī)即將進(jìn)行的讀寫(xiě)操作。這里的SCLK時(shí)鐘信號(hào)是由SPI的模式來(lái)決定是高電平還是低電平有效的，這點(diǎn)在稍后會(huì)進(jìn)行介紹。3.主機(jī)(Master)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)到發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)(Memory)，緩存區(qū)經(jīng)過(guò)移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通過(guò)MOSI信號(hào)線將字節(jié)一位一位的移出去傳送給從機(jī)，同時(shí)MISO接口接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)移位寄存器一位一位的移到接收緩存區(qū)。4.從機(jī)(Slave)也將自己的串行移位寄存器(0~7)中的內(nèi)容通過(guò)MISO信號(hào)線返回給主機(jī)。同時(shí)通過(guò)MOSI信號(hào)線接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換。

SPI通信的4種工作模式

SPI通信中有4種不同的操作模式，不同的從機(jī)設(shè)備可能在出廠時(shí)就被設(shè)置好了某種模式，并且無(wú)法更改。但是SPI通信必須處于同一種模式下才能進(jìn)行。因此我們應(yīng)該對(duì)自己手里的SPI主機(jī)設(shè)備進(jìn)行模式的配置，也就是通過(guò)CPOL(時(shí)鐘極性)和CPHA(時(shí)鐘相位)來(lái)控制SPI主設(shè)備的通信模式，具體如下：時(shí)鐘極性(CPOL)定義了SCLK時(shí)鐘線空閑狀態(tài)時(shí)的電平：1.CPOL=0，即SCLK=0，表示SCLK時(shí)鐘信號(hào)線在空閑狀態(tài)時(shí)的電平為低電平，因此有效狀態(tài)為高電平。2.CPOL=1，即SCLK=1，表示SCLK時(shí)鐘信號(hào)線在空閑狀態(tài)時(shí)的電平為高電平，因此有效狀態(tài)為低電平。時(shí)鐘相位(CPHA)定義了數(shù)據(jù)位相對(duì)于時(shí)鐘線的時(shí)序(即相位)：1.CPHA=0，即表示輸出(out)端在上一個(gè)時(shí)鐘周期的后沿改變數(shù)據(jù)，而輸入(in)端在時(shí)鐘周期的前沿(或不久之后)捕獲數(shù)據(jù)。輸出端保持?jǐn)?shù)據(jù)有效直到當(dāng)前時(shí)鐘周期的尾部邊緣。對(duì)于第一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)說(shuō)，第一位的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘前沿之前出現(xiàn)在MOSI線上。也就是一個(gè)CPHA=0的周期包括半個(gè)時(shí)鐘空閑和半個(gè)時(shí)鐘置位的周期。2.CPHA=1，即表示輸出(out)端在當(dāng)前時(shí)鐘周期的前沿改變數(shù)據(jù)，而輸入(in)端在時(shí)鐘周期的后沿(或不久之后)捕獲數(shù)據(jù)。輸出端保持?jǐn)?shù)據(jù)有效直到下一個(gè)時(shí)鐘周期的前沿。對(duì)于最后一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)說(shuō)，從機(jī)設(shè)備在片選信號(hào)消失之前保持MISO信號(hào)線有效。也就是一個(gè)CHPA=1的周期包括半個(gè)時(shí)鐘置位和半個(gè)時(shí)鐘空閑的周期。注意：此處的前沿和后沿的意思表示在每個(gè)周期中第一個(gè)出現(xiàn)的邊沿和最后一個(gè)出現(xiàn)的邊沿。總的來(lái)說(shuō)則為：當(dāng)時(shí)鐘為正向時(shí)鐘時(shí)，時(shí)鐘線的上升沿為前沿，時(shí)鐘的下降沿為后沿，反之。如下表，為SPI通信的4種模式：下圖顯示了時(shí)鐘極性和相位的時(shí)序圖。紅線表示時(shí)鐘的前沿，藍(lán)線表示時(shí)鐘的后沿。

SPI協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)

SPI的優(yōu)點(diǎn)在于它有著比I2C更高的吞吐量，不被最大時(shí)鐘速度所限制，可實(shí)現(xiàn)潛在的高速、極為簡(jiǎn)單的硬件接口，外圍電路使用的上拉電阻是比I2C協(xié)議更少的，這意味著它具有比I2C的功耗更低、從機(jī)的時(shí)鐘來(lái)源來(lái)自主機(jī)設(shè)備，無(wú)需新增精密振蕩器、從機(jī)不需要唯一的地址、相對(duì)于并行接口而言，使用的引腳數(shù)目大大減少等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)有著一定的缺點(diǎn)，例如SPI沒(méi)有帶內(nèi)尋址、當(dāng)使用多個(gè)不同模式的從機(jī)設(shè)備時(shí)，主機(jī)設(shè)備切換模式時(shí)重新初始化，會(huì)使得訪問(wèn)從機(jī)設(shè)備速度變慢、SPI從機(jī)設(shè)備沒(méi)有硬件流控，只能通過(guò)主機(jī)自主的延遲下個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)的時(shí)間、僅能在短距離通信等缺點(diǎn)。但能在避免SPI的缺點(diǎn)的方向來(lái)應(yīng)用SPI的話，SPI的優(yōu)點(diǎn)讓它遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他協(xié)議。