SPI 协议简介
SPI 協議是由摩托羅拉公司提出的通訊協議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在 ADC、LCD 等設備與 MCU間，要求通訊速率較高的場合
一、SPI 物理層
SPI 通訊設備之間的常用連接方式如下圖所示
SPI 通訊使用 3 條總線及片選線，3 條總線分別為 SCK、MOSI、MISO，片選線為SS，它們的作用介紹如下：
- SS ( Slave Select)：從設備選擇信號線，常稱為片選信號線，也稱為 NSS、CS，以下用 NSS 表示。當有多個 SPI 從設備與 SPI 主機相連時，設備的其它信號線 SCK、MOSI 及 MISO 同時并聯到相同的 SPI 總線上，即無論有多少個從設備，都共同只使用這 3 條總線；而每個從設備都有獨立的這一條 NSS 信號線，本信號線獨占主機的一個引腳，即有多少個從設備，就有多少條片選信號線。 I2C 協議中通過設備地址來尋址、選中總線上的某個設備并與其進行通訊；而 SPI 協議中沒有設備地址，它使用 NSS 信號線來尋址，當主機要選擇從設備時，把該從設備的 NSS 信號線設置為低電平，該從設備即被選中，即片選有效，接著主機開始與被選中的從設備進行 SPI 通訊。所以SPI 通訊以 NSS 線置低電平為開始信號，以 NSS 線被拉高作為結束信號。
- SCK (Serial Clock)：時鐘信號線，用于通訊數據同步。它由通訊主機產生，決定了通訊的速率，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限于低速設備。
- MOSI (Master Output， Slave Input)：主設備輸出/從設備輸入引腳。 主機的數據從這條信號線輸出，從機由這條信號線讀入主機發送的數據，即這條線上數據的方向為主機到從機。
- MISO(Master Input,，Slave Output)：主設備輸入/從設備輸出引腳。主機從這條信號線讀入數據，從機的數據由這條信號線輸出到主機，即在這條線上數據的方向為從機到主機。
二、協議層
與 I2C 的類似，SPI 協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、時鐘同步等環節。
1. SPI 基本通訊過程
SPI 通訊時序圖
- 這是一個主機的通訊時序。NSS、SCK、MOSI 信號都由主機控制產生，而 MISO 的信號由從機產生，主機通過該信號線讀取從機的數據。MOSI 與 MISO 的信號只在 NSS 為低電平的時候才有效，在 SCK 的每個時鐘周期 MOSI 和 MISO 傳輸一位數據。 以上通訊流程中包含的各個信號分解如下：
2. 通訊的起始和停止信號
- 在SPI通訊時序圖的標號1處，NSS 信號線由高變低，是 SPI 通訊的起始信號。NSS 是每個從機各自獨占的信號線，當從機在自己的 NSS 線檢測到起始信號后，就知道自己被主機選 中了，開始準備與主機通訊。在圖中的標號6處，NSS 信號由低變高，是 SPI 通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態被取消。
3. 數據有效性
- SPI 使用 MOSI 及 MISO 信號線來傳輸數據，使用 SCK 信號線進行數據同步。MOSI及 MISO 數據線在 SCK 的每個時鐘周期傳輸一位數據，且數據輸入輸出是同時進行的。數據傳輸時，MSB 先行或 LSB 先行并沒有作硬性規定，但要保證兩個 SPI 通訊設備之間使用同樣的協定，一般都會采用上圖中的 MSB 先行模式。
- 觀察圖中的2345標號處，MOSI 及 MISO 的數據在 SCK 的上升沿期間變化輸出，在 SCK 的下降沿時被采樣。即在 SCK 的下降沿時刻，MOSI 及 MISO 的數據有效，高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。在其它時刻，數據無效，MOSI 及 MISO為下一次表示數據做準備。SPI 每次數據傳輸可以 8 位或 16 位為單位，每次傳輸的單位數不受限制
4.CPOL/CPHA 及通訊模式
- 上面講述的圖中的時序只是 SPI 中的其中一種通訊模式，SPI 一共有四種通訊模式，它們的主要區別是總線空閑時 SCK 的時鐘狀態以及數據采樣時刻。為方便說明，在此引入“時鐘極性 CPOL”和“時鐘相位 CPHA”的概念。
- 時鐘極性 CPOL 是指 SPI 通訊設備處于空閑狀態時，SCK 信號線的電平信號(即 SPI 通訊開始前、 NSS 線為高電平時 SCK 的狀態)。CPOL=0 時， SCK 在空閑狀態時為低電平，CPOL=1 時，則相反。
- 時鐘相位 CPHA 是指數據的采樣的時刻，當 CPHA=0 時，MOSI 或 MISO 數據線上的信號將會在 SCK 時鐘線的“奇數邊沿”被采樣。當 CPHA=1 時，數據線在 SCK 的“偶數邊沿”采樣。見下圖所示。
CPHA=0 時的 SPI 通訊模
- 我們來分析這個 CPHA=0 的時序圖。首先，根據 SCK 在空閑狀態時的電平，分為兩種情況。SCK 信號線在空閑狀態為低電平時，CPOL=0；空閑狀態為高電平時，CPOL=1。
- 無論 CPOL=0 還是=1，因為我們配置的時鐘相位 CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時刻都是在 SCK 的奇數邊沿。注意當 CPOL=0 的時候，時鐘的奇數邊沿是上升沿，而CPOL=1 的時候，時鐘的奇數邊沿是下降沿。所以 SPI 的采樣時刻不是由上升/下降沿決定的。MOSI 和 MISO 數據線的有效信號在 SCK 的奇數邊沿保持不變，數據信號將在 SCK 奇數邊沿時被采樣，在非采樣時刻，MOSI 和 MISO 的有效信號才發生切換。
- 類似地，當 CPHA=1 時，不受 CPOL 的影響，數據信號在 SCK 的偶數邊沿被采樣，如下圖所示。
CPHA=1 時的 SPI 通訊模式
- 由 CPOL 及 CPHA 的不同狀態，SPI 分成了四種模式，見下表，主機與從機需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，實際中采用較多的是“模式 0”與“模式 3”。
總結
