SPI

一、 SPI 协议简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是由摩托罗拉公司开发的一种全双工、同步、四线制的串行通信总线。它以其简单性和高速度而闻名。

• 全双工：数据可以同时在主设备和从设备之间双向传输。

• 同步：通信双方通过统一的时钟信号（SCLK）来同步数据位（MOSI, MISO）的传输节奏。

• 四线制：通常需要四根信号线（有时可精简为三线）。

• 高速：相比 I2C，SPI 可以达到很高的速度（几十 Mbps 甚至上百 Mbps），没有标准上限。（推挽输出能力强）

• 无寻址：通过硬件片选（CS）线选择从设备，不支持软件寻址。

二、 硬件连接与信号线

SPI 通信至少需要四根线：

三、 核心概念

移位示意

1. 时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）

这是 SPI 最核心也最容易混淆的概念，它们共同定义了时钟的稳定电平和数据采样的边沿。有四种可能的模式。

• 时钟极性 CPOL：

  • CPOL = 0： 时钟空闲状态（当 CS 有效但无数据传输时）为低电平。

  • CPOL = 1： 时钟空闲状态为高电平。

• 时钟相位 CPHA：

  • CPHA = 0： 数据在时钟的第一个边沿（即 SCK 从空闲状态变化的第一个边沿）被采样。

  • CPHA = 1： 数据在时钟的第二个边沿（即 SCK 从空闲状态变化的第二个边沿）被采样。

四种 SPI 模式总结：

关键记忆点：Mode 0 和 Mode 3 是最常用的两种模式。主设备和从设备的 CPOL 与 CPHA 设置必须完全一致，否则无法正常通信。

2. 数据顺序（Bit Order）

• 可以配置为 MSB First（最高位先行）或 LSB First（最低位先行）。MSB First 是默认和最常见的方式。

3. 数据帧大小（Frame Size）

• 通常为 8位（1个字节），但许多现代控制器支持任意长度的数据帧（如 4位， 12位， 16位等）。

四、 通信流程与帧格式

SPI 的通信流程非常简单，由主设备完全控制。

基本通信流程

1. 初始化：主设备配置时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）。
2. 片选(开始)：主设备将目标从设备的 CS 线拉低（有效），激活该从设备。

1. 数据传输：主设备在 SCLK 线上产生时钟脉冲，同时：

   • 通过 MOSI 线将数据一位一位地发送给从设备。

   • 通过 MISO 线从从设备一位一位地接收数据。

   • 这是一个同时进行（全双工） 的过程。

   • 传输结束：主设备将 CS 线拉高（无效），结束通信。

帧格式波形图（以 8 位数据传输为例）

由于 SPI 有四种模式，其波形也不同。下图清晰地展示了四种模式下的数据传输时序。

通用时序概念：

• 数据采样时刻：接收端读取数据位的时机。
• 数据变化时刻：发送端改变数据位的时机。

模式0

模式1

模式2

模式3

多字节连续传输

SPI 可以非常容易地进行多字节连续传输。主设备只需在 CS 有效期间，持续产生 SCLK 时钟周期即可。每个 SCLK 周期传输一位数据。

五、 SPI 优缺点总结

六、 SPI 与 I2C 的快速对比