SPI：高速同步串行口。是一種標(biāo)準(zhǔn)的四線同步雙向串行總線。

　　SPI，是英語(yǔ)Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在 EEPROM，FLASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如AT91RM9200.

　　SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT、有的SPI接口芯片沒(méi)有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。

　　SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（用于單向傳輸時(shí)，也就是半雙工方式）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）。

　　（1）SDO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入

　　（2）SDI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出

　　（3）SCLK – 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生

　　（4）CS – 從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制

　　其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說(shuō)只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（高電位或低電位），對(duì)此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。

　　接下來(lái)就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。通訊是通過(guò)數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCK時(shí)鐘線存在的原因，由SCK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過(guò) SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

　　要注意的是，SCK信號(hào)線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線。同樣，在一個(gè)基于SPI的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒(méi)有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，主設(shè)備通過(guò)對(duì)SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義，具體請(qǐng)參考相關(guān)器件的文檔。

　　在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡(jiǎn)單高效。在多個(gè)從設(shè)備的系統(tǒng)中，每個(gè)從設(shè)備需要獨(dú)立的使能信號(hào)，硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。

1.2、接口的硬件連接示意圖

　　在多個(gè)從器件的系統(tǒng)中,每個(gè)從器件需要獨(dú)立的使能信號(hào),硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。

　　SPI接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位,在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下,按位傳輸,高位在前,低位在后。如下圖所示,在SCLK的下降沿上數(shù)

　　據(jù)改變,同時(shí)一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。

1.3、性能特點(diǎn)

　　AT91RM9200的SPI接口主要由4個(gè)引腳構(gòu)成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整個(gè)SPI總線的公用時(shí)鐘，MOSI、MISO作為主機(jī)，從機(jī)的輸入輸出的標(biāo)志，MOSI是主機(jī)的輸出，從機(jī)的輸入，MISO 是主機(jī)的輸入，從機(jī)的輸出。/SS是從機(jī)的標(biāo)志管腳，在互相通信的兩個(gè)SPI總線的器件，/SS管腳的電平低的是從機(jī)，相反/SS管腳的電平高的是主機(jī)。在一個(gè)SPI通信系統(tǒng)中，必須有主機(jī)。SPI總線可以配置成單主單從，單主多從，互為主從。

　　SPI的片選可以擴(kuò)充選擇16個(gè)外設(shè),這時(shí)PCS輸出=NPCS,說(shuō)NPCS0~3接4-16譯碼器,這個(gè)譯碼器是需要外接4-16譯碼器，譯碼器的輸入為NPCS0~3，輸出用于16個(gè)外設(shè)的選擇。

　　SPI接口的一個(gè)缺點(diǎn)：沒(méi)有指定的流控制，沒(méi)有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。

1.4、SPI協(xié)議舉例

　　SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，主要是在sck的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　假設(shè)下面的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。

　　那么第一個(gè)上升沿來(lái)的時(shí)候 數(shù)據(jù)將會(huì)是sdo=1；寄存器中的10101010左移一位，后面補(bǔ)入送來(lái)的一位未知數(shù)x，成了0101010x。下降沿到來(lái)的時(shí)候，sdi上的電平將鎖存到寄存器中去，那么這時(shí)寄存器=0101010sdi，這樣在 8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，兩個(gè)寄存器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成了一個(gè)spi時(shí)序。

1.5、舉例

　　假設(shè)主機(jī)和從機(jī)初始化就緒：并且主機(jī)的sbuff=0xaa，從機(jī)的sbuff=0x55，下面將分步對(duì)spi的8個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍:假設(shè)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)

　　脈沖 主機(jī)sbuff 從機(jī)sbuff sdi sdo

　　0 10101010 01010101 0 0

　　1上 0101010x 1010101x 0 1

　　1下 01010100 10101011 0 1

　　2上 1010100x 0101011x 1 0

　　2下 10101001 01010110 1 0

　　3上 0101001x 1010110x 0 1

　　3下 01010010 10101101 0 1

　　4上 1010010x 0101101x 1 0

　　4下 10100101 01011010 1 0

　　5上 0100101x 1011010x 0 1

　　5下 01001010 10110101 0 1

　　6上 1001010x 0110101x 1 0

　　6下 10010101 01101010 1 0

　　7上 0010101x 1101010x 0 1

　　7下 00101010 11010101 0 1

　　8上 0101010x 1010101x 1 0

　　8下 01010101 10101010 1 0

　　這樣就完成了兩個(gè)寄存器8位的交換，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相對(duì)于主機(jī)而言的。其中ss引腳作為主機(jī)的時(shí)候，從機(jī)可以把它拉底被動(dòng)選為從機(jī)，作為從機(jī)的是時(shí)候，可以作為片選腳用。根據(jù)以上分析，一個(gè)完整的傳送周期是16位，即兩個(gè)字節(jié)，因?yàn)?#xff0c;首先主機(jī)要發(fā)送命令過(guò)去，然后從機(jī)

　　根據(jù)主機(jī)的命令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，主機(jī)在下一個(gè)8位時(shí)鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來(lái)。 SPI 總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進(jìn)行通信:一條時(shí)鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MISO，一條數(shù)據(jù)輸出線MOSI;用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點(diǎn)有:可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù);可以當(dāng)作主

　　機(jī)或從機(jī)工作;提供頻率可編程時(shí)鐘;發(fā)送結(jié)束 中斷標(biāo)志;寫沖突保護(hù);總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)等。下圖示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式 (實(shí)線表示):?

　　?SPI總線四種工作方式 SPI 模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對(duì)傳輸協(xié)議沒(méi)有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)備時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。?　

SPI總線包括1根串行同步時(shí)鐘信號(hào)線以及2根數(shù)據(jù)線。

　　SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對(duì)傳輸協(xié)議沒(méi)有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。SPI接口時(shí)序如圖3、圖4所示。

俺總結(jié)的一句話：

?

CPHA（Clock Phase?）時(shí)鐘相位=0時(shí)，時(shí)鐘總線恢復(fù)時(shí)鐘極性（CPOL - Clock Polar?? ）指總線變?yōu)榭臻e時(shí)的狀態(tài)）時(shí)改變數(shù)據(jù)值，總線產(chǎn)生改變時(shí)鐘極性時(shí)（由空閑狀態(tài)變?yōu)榉强臻e狀態(tài)時(shí)）讀取數(shù)據(jù)。

CPHA時(shí)鐘相位=1時(shí)，時(shí)鐘總線恢復(fù)時(shí)鐘極性（指總線變?yōu)榭臻e時(shí)的狀態(tài)）時(shí)讀取數(shù)據(jù)值，總線產(chǎn)生改變時(shí)鐘極性時(shí)（由空閑狀態(tài)變?yōu)榉强臻e狀態(tài)時(shí)）改變數(shù)據(jù)。

每次通訊過(guò)程中要讓出CPHA個(gè)SCK周期。

一句話：時(shí)鐘相位是在時(shí)鐘總線恢復(fù)極性時(shí)是否讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。1是真讀取（即數(shù)據(jù)總線要保持）0是不讀取（即數(shù)據(jù)總線可改變數(shù)據(jù)）｛相反改變時(shí)鐘總線極性1是不讀取（即數(shù)據(jù)總線可改變數(shù)據(jù)）0是是真讀取（即數(shù)據(jù)總線要保持）這句可以不記它是上一句的相反定義及補(bǔ)充｝

SPI通訊只能主機(jī)發(fā)起?？梢酝ㄟ^(guò)變換主從機(jī)的方式進(jìn)行應(yīng)答式通訊。

如：CS 選低 A主機(jī)發(fā)請(qǐng)求，B從機(jī)接收然后CS選高。B處理完成以后B將CS置低，發(fā)送數(shù)據(jù)這時(shí)B是主機(jī)，A為從機(jī)。

當(dāng)然不通過(guò)改變主從機(jī)方式通訊也可

CS 選低 A主機(jī)發(fā)請(qǐng)求，B從機(jī)接收然后CS選高。B處理完成以后（這個(gè)時(shí)間不好控制只能估計(jì)或查參數(shù)），A在CS置低,發(fā)送其他數(shù)據(jù)，這時(shí)B回復(fù)剛才A的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

1.6、性能補(bǔ)充

　　上文中最后一句話：SPI主模塊和與之通信的外設(shè)備時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。個(gè)人理解這句話有2層意思：其一，主設(shè)備SPI時(shí)鐘和極性的配置應(yīng)該由外設(shè)來(lái)決定；其二，二者的配置應(yīng)該保持一致，即主設(shè)備的SDO同從設(shè)備的SDO配置一致，主設(shè)備的SDI同從設(shè)備的SDI配置一致。因?yàn)橹鲝脑O(shè)備是在SCLK的控制下，同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)2個(gè)雙向移位寄存器來(lái)交換數(shù)據(jù)。工作原理演示如下圖：

　　上升沿主機(jī)SDO發(fā)送數(shù)據(jù)1，同時(shí)從設(shè)備SDO發(fā)送數(shù)據(jù)0；緊接著在SCLK的下降沿的時(shí)候從設(shè)備的SDI接收到了主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)1，同時(shí)主機(jī)也接收到了從設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)0.

?

1.7、SPI協(xié)議心得

　　SPI接口時(shí)鐘配置心得：

　　在主設(shè)備這邊配置SPI接口時(shí)鐘的時(shí)候一定要弄清楚從設(shè)備的時(shí)鐘要求，因?yàn)橹髟O(shè)備這邊的時(shí)鐘極性和相位都是以從設(shè)備為基準(zhǔn)的。因此在時(shí)鐘極性的配置上一定要搞清楚從設(shè)備是在時(shí)鐘的上升沿還是下降沿接收數(shù)據(jù)，是在時(shí)鐘的下降沿還是上升沿輸出數(shù)據(jù)。但要注意的是，由于主設(shè)備的SDO連接從設(shè)備的SDI，從設(shè)備的SDO連接主設(shè)備的SDI，從設(shè)備SDI接收的數(shù)據(jù)是主設(shè)備的SDO發(fā)送過(guò)來(lái)的，主設(shè)備SDI接收的數(shù)據(jù)是從設(shè)備SDO發(fā)送過(guò)來(lái)的，所以主設(shè)備這邊SPI時(shí)鐘極性的配置（即SDO的配置）跟從設(shè)備的SDI接收數(shù)據(jù)的極性是相反的，跟從設(shè)備SDO發(fā)送數(shù)據(jù)的極性是相同的。下面這段話是Sychip Wlan8100 Module Spec上說(shuō)的，充分說(shuō)明了時(shí)鐘極性是如何配置的：

　　The 81xx module will always input data bits at the rising edge of the clock, and the host will always output data bits on the falling edge of the clock.

　　意思是：主設(shè)備在時(shí)鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)。因此主設(shè)備這邊SPI時(shí)鐘極性應(yīng)該配置為下降沿有效。

　　又如，下面這段話是摘自LCD Driver IC SSD1289：

　　SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.

　　意思是：從設(shè)備SSD1289在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)，而且是按照從高位到低位的順序接收數(shù)據(jù)的。因此主設(shè)備的SPI時(shí)鐘極性同樣應(yīng)該配置為下降沿有效。

　　時(shí)鐘極性和相位配置正確后，數(shù)據(jù)才能夠被準(zhǔn)確的發(fā)送和接收。因此應(yīng)該對(duì)照從設(shè)備的SPI接口時(shí)序或者Spec文檔說(shuō)明來(lái)正確配置主設(shè)備的時(shí)鐘。

?

一.SPI總線簡(jiǎn)介
串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola 公司推出的一種同步串行接口。
SPI 用于CPU 與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。它只需四條線就可以完成MCU 與各種外圍器
件的通訊，這四條線是：串行時(shí)鐘線（CSK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)
據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機(jī)選擇線CS。當(dāng)SPI 工作時(shí)，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（MOSI）
輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一個(gè)字節(jié)
后，從另一個(gè)外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。即完成一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)是兩個(gè)器件寄
存器內(nèi)容的交換。主SPI 的時(shí)鐘信號(hào)（SCK）使傳輸同步。其典型系統(tǒng)框圖如下圖所示。.SPI總線工作方式
SPI 總線有四種工作方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實(shí)線表示):

?

?

?

時(shí)序詳解：
CPOL：時(shí)鐘極性選擇，為0時(shí)SPI 總線空閑為低電平，為1時(shí)SPI 總線空閑為高電平
CPHA：時(shí)鐘相位選擇，為0時(shí)在SCK 第一個(gè)跳變沿采樣，為1時(shí)在SCK 第二個(gè)跳變沿采樣
工作方式1：
當(dāng)CPHA=0、CPOL=0時(shí)SPI 總線工作在方式1。MISO 引腳上的數(shù)據(jù)在第一個(gè)SPSCK 沿跳變之前已經(jīng)上線
了，而為了保證正確傳輸，MOSI 引腳的MSB 位必須與SPSCK 的第一個(gè)邊沿同步，在SPI 傳輸過(guò)程中，首
先將數(shù)據(jù)上線，然后在同步時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)，SPI 的接收方捕捉位信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)周期結(jié)束
時(shí)(下降沿)，下一位數(shù)據(jù)信號(hào)上線，再重復(fù)上述過(guò)程，直到一個(gè)字節(jié)的8位信號(hào)傳輸結(jié)束。
工作方式2：
當(dāng)CPHA=0、CPOL=1時(shí)SPI 總線工作在方式2。與前者唯一不同之處只是在同步時(shí)鐘信號(hào)的下降沿時(shí)捕捉
位信號(hào)，上升沿時(shí)下一位數(shù)據(jù)上線。
工作方式3：
當(dāng)CPHA=1、CPOL=0時(shí)SPI 總線工作在方式3。MISO 引腳和MOSI 引腳上的數(shù)據(jù)的MSB 位必須與SPSCK
的第一個(gè)邊沿同步，在SPI 傳輸過(guò)程中，在同步時(shí)鐘信號(hào)周期開始時(shí)(上升沿)數(shù)據(jù)上線，然后在同步時(shí)鐘
信號(hào)的下降沿時(shí)，SPI 的接收方捕捉位信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)周期結(jié)束時(shí)(上升沿)，下一位數(shù)據(jù)信號(hào)上線，
再重復(fù)上述過(guò)程，直到一個(gè)字節(jié)的8位信號(hào)傳輸結(jié)束。
工作方式4：
當(dāng)CPHA=1、CPOL=1時(shí)SPI 總線工作在方式4。與前者唯一不同之處只是在同步時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)捕捉
位信號(hào)，下降沿時(shí)下一位數(shù)據(jù)上線。

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的SPI通讯协议的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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