一文详解SPI串行外设接口协议

SPI在嵌入式系统中非常普遍，无论是芯片上的系统处理器（如ARM、MIC或Power PC等高端32位处理器），还是微控制器（如AVR、PIC等），通常包括能够以主从模式运行的SPI控制器。

系统内可编程AVR控制器，可以使用SPI接口编程；基于芯片或FPGA的设计，有时使用SPI进行通信。当我们想要与外围设备快速传输数据，并对实时性有要求时，SPI是目前常用的一种技术。

除SPI外，有许多串行接口，如Morse电报、RS232、 USB、火线、以太网等，对于许多设计来说，每个串行接口都有其优缺点，如何选择取决于所需的数据速率、空间可用性和噪声考虑等因素。

SPI即串行外围接口，用来取代并行接口，这样设计时就不必绕着PCB布线并行总线了。它提供设备之间的高速数据传输，摩托罗拉是第一家将SPI命名为电路技术的公司。该技术应用于上世纪70年代末的首个基于68000的MCU，用于连接周边设备，后来被业内其他公司采用。接口的简单性和速度，使通信或传输数据变得容易，并使其成为流行的通信协议。

SPI是一个简单的4线串行通信接口，使控制器和外设之间能够相互通信。在SPI中，数据每个时钟周期1 bit速率输入/输出，数据在主设备和一个或多个从设备之间短距离、高速传输。它基于一个8位移位寄存器将数据移出到一个输出引脚，并从另一个输入引脚将数据移入。

SPI的另一个特性是，它没有传输总线所有权的概念，即改变主节点，也没有从节点地址。SPI是一种更简单的协议，因此工作频率可以高于10MHz（比TWI的频率高）。

SPI得到广泛使用的一些特性是：

全双工通信；

吞吐量高于TWI；

传输时不限于8位字；

简单的硬件接口；

可随意选择消息大小、内容和目的；

通常符合低功耗要求；

从机使用主机产生的时钟，不需要精确的振荡器；

由于电路较少，功耗要求比TWI低。

然而，将TWI串行接口与SPI进行比较是不公平的。它们有各自的应用领域，这取决于系统的需求。

TWI有如下特性：

IC封装上的引脚数比SPI少；

存在硬件流控制；

它有一个正式的标准，不像SPI；

它在通信之前给出从机地址。

为什么SPI在PCB下应用最多？

尽管SPI主要是为主机处理器和外设之间的通信而开发的，但是通过SPI连接两个处理器也是可能的。SPI总线通常只用在PCB上；在PCB领域之外使用SPI有很多阻碍。

首先，SPI被设计用来在不同的IC芯片之间以非常高的速度传输数据；由于高速要求，总线的长度不能太长，否则会因为电抗增加而无法使用。

当然，在PCB外使用低速SPI是有可能的，但这不是很实际。外围设备可以是实时时钟、转换器(如ADC和DAC)、内存模块(如EEPROM和FLASH)、传感器(如温度传感器和压力传感器)或其他设备(如信号混频器、电位器、LCD控制器、UART、can控制器、USB控制器和放大器)。

SPI协议

SPI协议包括以下4条信号线：

MOSI (Master Out Slave In)

MOSI信号由Master产生，接收端是Slave；

MISO(Master In Slave Out)

Slave产生MISO信号，接收方为Master；

SCLK/SCK

SCLK由master产生，用于在master和slave之间同步数据传输；

SS/CS

SS信号由master产生，用于选择单个slave。

有时串行数据输入[SDI]被用于MOSI，串行数据输出[SDO]用于MISO。

一个主控制器可以与多个SPI外设通信，一般有两种设置方法：

级联slave配置；

并行slave配置。

级联slave配置

级联slave是将所有的时钟线(SCLK)和片选(CS)连接在一起。数据通过微控制器传输到每个外设，最后再返回到微控制器。前一个slave的数据输出连接到下一个slave的数据输入，从而形成一个更宽的移位寄存器。因此，级联slave被视为一个更大的设备，他们连接相同的芯片选择信号。

这意味着，master只需要产生一条SS线，而不用为每个slave都产生一条单独的SS线。

并行slave配置

这是典型的SPI总线配置，包含一个master和多个slave。在这个独立或并行的从属配置中：

所有时钟线(SCLK)都连接在一起；

所有MISO数据线都连接在一起；

所有MOSI数据线都连接在一起。

SPI通信

SPI通信一直是由master发起的。首先master产生时钟，时钟频率小于或等于slave支持的最大频率；随后master通过产生时钟信号(SCLK)来控制数据传输，并通过将特定slave的芯片选择(SS)线拉低来进行通信。总线上的slave如果没有被master选中，将会忽略来自主机的输入时钟和MOSI信号，并且绝对不能驱动MISO；这意味着master每次只选择一个slave。

四个引脚的使用取决于设备。例如，某些设备不需要输入(例如ADC)， SDI引脚可能不存在，或者有些设备不需要输出(例如LCD控制器)，SDO引脚可能不存在。如果一个微控制器只需要与1个SPI外设通信，那么该slave上的CS引脚可以接地（CS低电平有效）。对于多个从设备，每个从设备都需要一个独立的CS信号。

SPI中三态输出的意义是什么?

在数字电子学中，三态逻辑允许输出端口除了0和1逻辑电平外，还采用高阻抗状态。这允许多个电路共享一个输出线，大多数外设都有三态输出，当设备未被选中时，输出会进入高阻抗状态(断开)。没有三态输出的设备不能与其他设备共享SPI总线。

SPI设备有时使用另一条信号线向主机CPU发送中断信号。使用中断信号例子有温度传感器的温度警报，实时时钟芯片发出的警报，以及手机声音编解码器监测到的耳机插孔插入等。

时钟极性和相位

另一对参数称为时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)决定了数据驱动和采样的时钟信号的边缘。除了设置时钟频率，master还必须配置时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)。由于时钟作为数据通信的同步，在这个CPOL和CPHA的基础上，有四种可能的模式可以在SPI协议中使用。

SPI应用

全双工能力使得SPI对于主/从应用场景下十分高效，通过全双工模式可以为数字音频、数字信号处理等应用实现高效、快速的数据流。

SPI用于与各种外设通信，例如：

传感器

温度，压力，ADC，触摸屏，视频游戏控制器；

控制设备

音频编解码、数字电位器、DAC；

相机镜头

佳能EF镜头支架；

通讯

以太网，USB, USART,CAN手持视频游戏；

存储器

Flash和EEPROM；

实时时钟；

LCD，有时甚至用于管理图像数据；

任何MMC或SD卡(包括SDIO变体)；

对于高性能系统，FPGA有时使用SPI作为主机的从机接口，使用SPI作为传感器的主机接口，或者用于flash memory的导入接口。

　　审核编辑：汤梓红