1、简介

SPI 是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是美国摩托罗拉公司（Motorola）最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口，是一种高速、全双工、同步通信总线，所以可以在同一时间发送和接收数据，SPI 没有定义速度限制，通常能达到甚至超过 10M/bps。

SPI 有主、从两种模式，通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI 不支持多主机），主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI 接口的读写操作，都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

SPI 通信原理很简单，需要至少 4 根线，单向传输时 3 根线，它们是 MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）和 CS/SS（片选）：

• MISO（ Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出；

• MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入；

• SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；

• CS/SS（Chip Select/Slave Select）：从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS 是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。

​一主设备一从设备模式

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一主设备多从设备模式

2、通信原理

SPI 主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

​SPI 数据通信的流程可以分为以下几步：

1、主设备发起信号，将 CS/SS 拉低，启动通信。

2、主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低），因为 SPI 有四种模式，后面会讲到），它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）。

3、主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓存区（Menory），缓存区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过 MOSI 信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时 MISO 接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。

4、从机（Slave）也将自己的串行移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置）中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。同时通过 MOSI 信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

例如，下图示例中简单模拟 SPI 通信流程，主机拉低 NSS 片选信号，启动通信，并且产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在 MOSI 线路一位一位发送数据 0X53，在 MISO 线路一位一位接收数据 0X46，如下图所示：

​这里有一点需要着重说明一下：SPI 只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。若只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节（虚拟数据）；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

3、通信特性

3.1、设备选择

SPI 是单主设备（Single Master）通信协议，只有一支主设备能发起通信，当 SPI 主设备想读/写从设备时，它首先拉低从设备对应的 SS 线（SS 是低电平有效）。接着开始发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到 MOSI 实现“写”，同时可对 MISO 采样而实现“读”。如下图所示：

​3.2、设备时钟

SPI 时钟特点主要包括：时钟速率、时钟极性和时钟相位三方面。

3.2.1、时钟速率

SPI 总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的 SPI 传输速率。

3.2.2、时钟极性

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为 CKP 或 CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据。

CKP 可以配置为 1 或 0。这意味着你可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。你必须参考设备的数据手册才能正确设置 CKP 和 CKE。

• CKP = 0：时钟空闲 IDLE 为低电平 0；

• CKP = 1：时钟空闲 IDLE 为高电平 1。

3.2.3、时钟相位

根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为 CKE 或 CPHA。顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

• CKE = 0：在时钟信号 SCK 的第一个跳变沿采样；

• CKE = 1：在时钟信号 SCK 的第二个跳变沿采样。

3.3、四种模式

根据 SPI 的时钟极性和时钟相位特性可以设置 4 种不同的 SPI 通信操作模式，它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低），详情如下所示：

• Mode0：CKP=0，CKE =0：当空闲态时，SCK 处于低电平，数据采样是在第 1 个边沿，也就是 SCK 由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿（准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。

• Mode1：CKP=0，CKE=1：当空闲态时，SCK 处于低电平，数据发送是在第 2 个边沿，也就是 SCK 由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

• Mode2：CKP=1，CKE=0：当空闲态时，SCK 处于高电平，数据采集是在第 1 个边沿，也就是 SCK 由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

• Mode3：CKP=1，CKE=1：当空闲态时，SCK 处于高电平，数据发送是在第 2 个边沿，也就是 SCK 由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

举个例子，下图是 SPI Mode0 读/写时序，可以看出 SCK 空闲状态为低电平，主机数据在第一个跳变沿被从机采样，数据输出同理。

​下图是 SPI Mode3 读/写时序，SCK 空闲状态为高电平，主机数据在第二个跳变沿被从机采样，数据输出同理。

​4、多从机模式

有两种方法可以将多个从设备连接到主设备：多片选和菊花链。

通常，每个从机都需要一条单独的 SS 线。如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的 NSS 信号线拉低，并保持其他 SS 信号线的状态为高电平；如果同时将两个 SS 信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条 MISO 线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

​菊花链的最大缺点是信号串行传输，一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了。另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况。

5、SPI 优缺点

• 优点

1. 无起始位和停止位，因此数据位可以连续传输而不会被中断；

2. 没有像 I2C 这样复杂的从设备寻址系统；

3. 数据传输速率比 I2C 更高（几乎快两倍）；

4. 分离的 MISO 和 MOSI 信号线，因此可以同时发送和接收数据；

5. 极其灵活的数据传输，不限于 8 位，它可以是任意大小的字；

6. 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与 I2C 不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与 UART 不同）。不需要收发器（与 CAN 不同）。

• 缺点

1. 使用四根信号线（I2C 和 UART 使用两根信号线）；

2. 无法确认是否已成功接收数据（I2C 拥有此功能）；

3. 没有任何形式的错误检查，如 UART 中的奇偶校验位；

4. 只允许一个主设备；

5. 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；

6. 没有定义硬件级别的错误检查协议；

7. 与 RS-232 和 CAN 总线相比，只能支持非常短的距离；