1前言

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外設(shè)接口的縮寫，SPI是一種高速、主從模式、全雙工、同步的串行通信總線，由摩托羅拉公司（Motorola）于 20 世紀(jì) 80 年代提出，主要用于短距離內(nèi)的芯片間通信，廣泛應(yīng)用于傳感器、存儲器、顯示屏、ADC/DAC 等外設(shè)與微控制器（MCU）的連接。

2SPI協(xié)議的基本特點(diǎn)

串行通信：一次發(fā)送1bit數(shù)據(jù)。

同步通信：通過時鐘信號（SCLK）同步數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送方和接收方基于同一時鐘工作。

全雙工通信：數(shù)據(jù)可以同時雙向傳輸（主設(shè)備發(fā)送的同時接收，從設(shè)備接收的同時發(fā)送）。

單主多從架構(gòu)：通常由一個主設(shè)備（如 MCU）控制多個從設(shè)備（如傳感器），從設(shè)備不能主動發(fā)起通信。

無地址機(jī)制：通過片選信號（CS/NSS）選擇目標(biāo)從設(shè)備，而非通過地址識別。

靈活的數(shù)據(jù)長度：數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)可自定義（常見 8 位，也支持 16 位、32 位等）。

高速傳輸：速率通常可達(dá)幾 Mbps 到幾十 Mbps，具體取決于器件支持的最大時鐘頻率。

3SPI的信號線組成

SPI從器件一般需要4根線（也有3根線的，單工，只有接收或者只有發(fā)送），分別是MISO（主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出）、MOSI（主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入）、SCLK（時鐘）、CS（片選）。

4SPI尋址方式

當(dāng)主設(shè)備要和某個從設(shè)備進(jìn)行通信時，主設(shè)備需要先向?qū)?yīng)從設(shè)備的片選線上發(fā)送使能信號（高電平或者低電平，根據(jù)從機(jī)而定）表示選中該從設(shè)備。

5SPI的通信過程

SPI總線在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，先傳送高位，后傳送低位；數(shù)據(jù)線為高電平表示邏輯"1"，低電平表示邏輯"0"；一個字節(jié)傳送完成后無需應(yīng)答即可開始下一個字節(jié)的傳送；SPI總線采用同步方式工作，時鐘線在上升沿或下降沿時發(fā)送器向數(shù)據(jù)線上發(fā)送數(shù)據(jù)，在緊接著的下降沿或者上升沿時接收器從數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)，完成一位數(shù)據(jù)傳送，八個時鐘周期即可完成一個字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送。

如果參考了上面圖片還不能明白SPI傳輸過程，可以繼續(xù)參考如下動圖：

6SPI的極性和相位

SPI總線有四種不同的工作模式，取決于時鐘的極性（CPOL，Clock Polarity）和相位（CPHA，Clock Phase）這兩個因素。

CPOL表示SCLK空閑時的狀態(tài)：

CPOL=0，空閑時SCLK為低電平；

CPOL=1，空閑時SCLK為高電平；

CPHA表示采樣時刻：

CPHA=0，每個周期的第一個時鐘沿采樣；

CPHA=1，每個周期的第二個時鐘沿采樣；

1 CPOL=0, CPHA=0

空閑時SCLK為低電平；每個周期的第一個時鐘沿采樣，也就是上升沿。

注：*MSB表示前一幀的MSB。

2 CPOL=0, CPHA=1

空閑時SCLK為低電平；每個周期的第二個時鐘沿采樣。

注：LSB*表示下一幀的LSB。

3.3 CPOL=1, CPHA=0

空閑時SCLK為高電平；每個周期的第一個時鐘沿采樣。

注：*MSB表示前一幀的MSB。

4 CPOL=1, CPHA=1

空閑時SCLK為高電平；每個周期的第二個時鐘沿采樣。

注：LSB*表示下一幀的LSB。

需要說明的是，對于一個特定的從設(shè)備來說，一般在出廠時就會將其設(shè)計(jì)為某種特定的工作模式；我們在使用該設(shè)備時就必須保證主設(shè)備的工作模式和該從設(shè)備保持一致，否則是無法進(jìn)行通信的；所以一般我們需要對主設(shè)備的CPOL和CPHA進(jìn)行配置。

7I2C和SPI的異同

相同點(diǎn)：

均采用串行、同步的方式

均采用TTL電平，傳輸距離和應(yīng)用場景類似

均采用主從方式工作

不同點(diǎn)：

I2C為半雙工，SPI為全雙工

I2C有應(yīng)答機(jī)制，SPI無應(yīng)答機(jī)制

I2C通過向總線廣播從機(jī)地址來尋址，SPI通過向?qū)?yīng)從機(jī)發(fā)送使能信號來尋址

I2C的時鐘極性和時鐘相位固定，SPI的時鐘極性和時鐘相位可調(diào)

I2C速度慢，引腳少，SPI速度快，引腳多