stm32学习笔记：SPI通信协议原理（未完）

一、SPI简介(serial Peripheral Interface（串行外设接口）)

1、电路模式（采用一主多从的模式）、同步，全双工

1 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
2 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
3 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入
4 推挽输出：高低电平都有很强的驱动能力，使得SPI引脚信号的下降沿和上升沿非常迅速
5 （IIC因为要实现半双工，经常切换输出输入，IIC又要实现多主机的时钟同步和总线仲裁，若使用推挽输出任意电源短路）
6 SPI的MISO可能有冲突，一位内主机是输入，三个从机都是输出，若三个从机始终是推挽输出，势必会导致冲突。
故SPI有个规定：
当从机的SS引脚为高电平时，即从机未被选中，其MISO引脚必须切换成高阻态，高阻态相当于引脚断开，不输出任何电平，这样可以防止一条线有多个输出，导致电平冲突问题
SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出（切换在从机中，不需要关注）

2、4条信号线

1 SS（片选信号线（理解为从机选择线）、Slave Select）:单片机通过给片选信号线高低电平来确定哪一个从机通讯，一般当这根线为低电平时，片选才有效
2 SCK（时钟信号线、Serial Clock）：主设备产生
3 MOSI（发送信号线、Master Output Slave Input）:主设备从MOSI输出数据，而从设备通过MOSI接收数据
4 MISO（接收信号线、Master Input Slave Output）：主设备通过这根线接收数据

3、通信过程

同步，肯定有时钟，因此，SCK引脚就是用来提供时钟信号的。数据位的输出和输入都是SCK的上升沿和下降沿进行的。这样数据位的收发时刻就可以明确的确定。

全双工：数据发送和数据接收单独各占一条线。MOSI和MISO就是分别用于发送和接收的两条线路。MOSI是主机输出从机输入，主机向从机发送数据的线路。MISO就是主机从从机接收数据的线路。

SPI：仅支持一主多从，不支持多主机。I2C太麻烦，直接开辟一条通讯线，专门用来指定我要跟哪个从机进行通信，即SS从机选择线。

I2C：实现一主多从的方式是在其实条件下，主机必须先发送一个字节进行寻址，用来指定我要跟哪个从机进行通信。所以I2C要涉及分配地址和寻址的问题。

4、SPI的硬件规定、SPI的软件规定

主机：stm32
从机：存储器、显示屏、通信模块、传感器等

SPI所有通信线都是单端信号，它们的高低电平都是相对GND的电压差，所以单端信号，所有设备还需要共地。

如果从机没有独立供电，主机需要额外引出电源正极VCC给从机供电。

SCK：时钟线完全由主机掌控，所以对于主机来说，时钟线为输出，对于所有从机来说，时钟线为输入。这样主机的同步时钟，就能送到各个从机

MOSI:主机输出，从机输入

MISO:主机输入，从机输出

SS:低电平有效，主机想指定谁，就把对应的SS输出线置低电平。比如，主机初始化，所有SS线都置高电平（谁也不指定）

输出引脚：推挽输出，高低电平均有很强的驱动能力，这将使得SPI引脚信号的下降沿和上升沿非常迅速，不像I2C下降沿非常迅速，但是下降沿就非常缓慢。SPI信号变化快，自然它就能达到更高的传输速度。一般SPI信号都能轻松达到MHz的速度级别。I2C并不是不想使用更快的推挽输出，而是I2C要实现半双工，经常要切换输入输出，而且I2C又要实现多主机的时钟同步和总线仲裁，这些功能都不允许I2C使用推挽输出。（否则容易导致电源短路，I2C选择更多的功能，自然放弃更强的性能）

输入引脚：浮空或上拉输入

SPI有个缺点：如果三个从机始终都是推挽输出，主机一个是输入，势必会导致冲突。规定：当从机的SS引脚为高电平时，也就是从机未被选中，它的MISO引脚必须切换为高阻态，高阻态就相当于引脚断开，不输出任何电平。这样就可以防止一条线有多个输出，而导致的电平冲突的问题。在SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出。

5、I2C和SPI的比较

（1）I2C
1、I2C在硬件和软件电路设计都比较复杂，但可在消耗最低硬件资源的情况下，实现最多的功能
2、由于I2C开漏外加上拉电阻的电路结构，使得通信线高电平的驱动能力比较弱，这会导致通信线由低电平变到高电平的时候，上升沿耗时比较长，限制了IIC的最大通信速度
3、故IIC的标准模式只有100kHz的时钟频率，快速模式只有400kHz

(2)SPI
1、SPI传输更快,没有严格规定最大传输速度,最大传输速度取决于芯片厂商的设计需求,即看手册
2、SPI的设计比较简单粗暴,实现的功能没IIC多,硬件开销比较大,通行线的个数比较多哈,并且通行过程中,经常会有资源浪费的现象
3、SPI的风格：最简单最快速的完成任务,没有应答机制

6、移位示意图（SPI核心）

左边是SPI主机，里面有一个8位的移位寄存器，右边是SPI从机，里面也有一个8位的移位寄存器。移位寄存器有一个时钟输入端，因为SPI一般是高位先行，因此，每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行移位。移位寄存器的时钟源是由主机提供的（这里叫做波特率发生器），它产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位。同时这个时钟也通过SCK引脚进行输出，接到从机的移位寄存器里。

组成一个圈
主机移位寄存器左边移出去的数据，通过MOSI引脚输入到从机移位寄存器的右边。
从机移位寄存器左边移出去的数据，通过MISO引脚输入到主机移位寄存器的右边。