SPI协议详解

概述

SPI(Serial Peripheral Interface)总线是一种高速、串行、全双工通信总线，由Motorola公司设计并推广。

优点是支持全双工通信，传输速率快，SCLK时钟频率最高可以达到50MHz左右。

缺点是没有流控制机制，不像I2C有应答机制，也不像UART有数据帧校验机制。

引脚说明

SPI总线以主从方式工作，支持一主一从、一主多从模式，拥有四个信号线：

信号	全称	说明
SCLK	Serial Clock	时钟信号，由主设备产生并控制 需要注意的是，SCLK只有在数据传输的过程中产生时钟周期，不进行数据传输时保持高电平或者低电平。
MOSI	Master Output Slave Input	主设备数据输出，从设备数据输入
MISO	Master Input Slave Output	主设备数据输入，从设备数据输出
SS/NSS/CS	Chip Select	从设备片选使能信号，由主设备控制。在一主多从的模式下，每一个从设备都需要独占一个CS信号，也就是说有多少个从设备就需要多少个CS片选信号。

一主一从模式如下：

一主多从模式如下：（每个SPI设备由一根独立的CS片选信号进行片选）

SPI模式

根据CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）的组合区分，SPI总线时序有四种模式。SPI通信的双方必须同时工作在其中一种模式下，往往是主控制器匹配SPI设备的工作模式。

SPI Mode	CPOL	CPHA
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

其中SPI 0和SPI 3两种模式最常用。

 

CPOL用来控制SCLK信号的Active状态是高电平还是低电平。

0 - SCLK高电平为Active状态

1 - SCLK低电平为Active状态

 

CPHA用来控制MOSI和MISO在第几个SCLK边沿进行数据采样。

0 - 第一个SCLK边沿采样，第二个边沿发送

1 - 第一个SCLK边沿发送，第二个边沿采样

 

 

总结：

SPI总线协议本身并不复杂，这就意味着复杂性在SPI设备驱动的软件编码上，具体体现在：

1）SPI总线协议没有数据校验机制，因此，必须根据SPI设备支持的SCLK时钟频率范围设置SPI时钟频率，实际应用中，可能会碰到示波器量时序信号没问题，但是SPI设备不回复数据或者回复数据错误的情况，大概率就是因为时钟频率不满足SPI设备要求导致的；

2）SPI控制器的发送是直接将数据写入一个移位寄存器中，该移位寄存器跟随SCLK时钟发送数据；SPI控制器的接收与发送同步进行，也就是说发送数据的同时，也在接收数据，而接收数据是写入一个缓存寄存器中，如果缓存寄存器的值不及时读取的话，后续接收的数据会直接丢弃而不是覆盖到该缓存寄存器中，因此，每一次写数据之后，一定要读取数据，即使读取的数据无意义。

3）SPI设备往往不会主动发送数据，而是被动应答；而SPI总线只有在主机发送数据的时候才会产生SCLK时钟周期信号，因此，往往读数据时，需要主机往SPI总线上发送任意数据；

4）SPI设备往往需要特定的时序进行操作，而不能像RAM一样随机读写，比如MMC/SDCard；