SPI 简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，用于短距离的设备之间数据传输。它常用于微控制器与外部设备（如传感器、闪存、显示器等）的通信。SPI 具有以下主要特点：

基本原理

SPI 是主从模式的通信协议，通常包括一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）。主设备控制通信的时序，从设备根据主设备的指令进行响应。

SPI 使用以下四条主要信号线：

1. MOSI（Master Out Slave In）： 主设备发送数据到从设备的线路。
2. MISO（Master In Slave Out）： 从设备发送数据到主设备的线路。
3. SCLK（Serial Clock）： 主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输。
4. CS（Chip Select）： 用于选择特定从设备进行通信，通常为低电平激活。

工作模式

SPI 通过时钟信号的不同相位和极性组合形成 4 种工作模式（Mode 0、1、2、3）。这 4 种模式根据 SCLK 的极性（CPOL）和相位（CPHA）决定数据的采样和发送时刻。

特点

• 全双工同步通信： SPI 同时进行数据发送和接收，主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
• 速度快： 由于是硬件控制的同步通信，SPI 的传输速度较高，通常比 I²C 等其他协议更快。
• 多从设备： 一个主设备可以控制多个从设备，通过单独的CS 线选择不同的从设备。
• 简单协议： SPI 协议没有复杂的仲裁或地址机制，相对容易实现。

SPI寻址方式

在 SPI 通信中，寻址方式主要是通过片选（Chip Select, CS）线来实现的。与 I²C 等协议不同，SPI 没有内置的寻址机制，具体是通过以下方式选择和管理从设备的：

1. 片选（Chip Select, CS）

SPI 使用片选线（也称为从选择线，SS/CS）来选择与哪个从设备进行通信，主设备需要向对应从设备的CS线上发送使能信号。每个从设备通常都有自己独立的 CS 引脚。当主设备需要与某个从设备通信时，它会将对应从设备的 CS 线拉低（即置为低电平，active low，高电平也可以，根据从机而定），表示选择该从设备进行通信。其他未被选中的从设备保持 CS 线高电平，不参与通信。

2. 多从设备通信

如果在一个 SPI 总线上有多个从设备，主设备需要为每个从设备提供单独的 CS 线。典型的 SPI 多从设备通信过程如下：

• 主设备通过拉低某个从设备的 CS 线来选择该从设备。
• 其他未选中的从设备的 CS 线保持高电平，因此它们不会响应 SPI 通信信号。
• 选中设备通过 MOSI 线接收数据，通过 MISO 线向主设备发送数据。
• 当通信结束后，主设备将该从设备的 CS 线拉高，停止与该设备的通信。

例如，若有 3 个从设备，主设备可能需要 3 根 CS 线分别控制每个从设备，标记为 CS1、CS2、CS3。当主设备要与从设备 2 通信时，会拉低 CS2，进行通信，而 CS1 和 CS3 保持高电平。

3. 菊花链（Daisy-Chain）模式

在某些特殊场景下，多个从设备可以通过 菊花链 连接在一个 SPI 总线上。菊花链模式下，从设备之间依次连接，数据从一个从设备流向下一个从设备。这种模式可以通过减少主设备上的 CS 线数量来节省引脚，但通信方式较为复杂。

在菊花链模式下，主设备通过串行时钟（SCLK）发送数据，数据依次经过每个从设备。主设备发送的数据经过所有从设备后，最后一个从设备将数据回传给主设备。此模式通常用于某些特定类型的设备，如 LED 驱动器或移位寄存器。

4. 地址寄存器（应用层）

虽然 SPI 协议本身没有设备地址机制，但可以通过应用层协议来实现类似的寻址功能。主设备发送的第一字节或前几位可以定义为设备的虚拟地址，只有匹配该地址的从设备会响应。在这种方式下，SPI 寻址逻辑需要通过硬件或软件协议来设计和实现。

SPI通信过程

时钟信号生成（SCLK）

主设备生成的时钟信号 (SCLK) 用于同步数据的传输。数据在时钟的上升沿或下降沿进行采样或发送（取决于设置的 CPOL 和 CPHA 模式）。

数据传输（MOSI/MISO）

• 数据发送（MOSI）： 主设备通过 MOSI（Master Out Slave In）线向从设备发送数据。主设备和从设备在时钟的相应沿根据协议设置同步数据发送。
• 数据接收（MISO）： 同时，从设备可以通过 MISO（Master In Slave Out）线向主设备发送数据。由于 SPI 是全双工通信，数据发送和接收可以在同一时刻进行。

通常数据位数为 8 位，主设备每发送一个字节，从设备无需应答主设备，发完一个数据之后，立即再发送下一个字节。数据的传输顺序一般是从最高位（MSB）到最低位（LSB），但也可以通过配置改变。

数据采样与移位

• 在数据传输过程中，数据位在时钟的某个边沿被送出，在另一边沿被接收。具体的数据采样时刻取决于时钟的极性（CPOL）和相位（CPHA）。
• 主设备和从设备内部有 移位寄存器，每次时钟脉冲会导致移位寄存器中的数据往左移一位，直至完成整个字节的发送和接收。

通信时序图

极性和相位

在 SPI 通信中，时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）是用于定义时钟信号的特性和数据采样时间的两个重要参数。这两个参数决定了数据在何时发送和接收。为了确保主设备和从设备能够正确通信，双方的时钟极性和相位必须一致。

1. 时钟极性（CPOL）

CPOL 定义了时钟信号在空闲状态下的电平。

• CPOL = 0：空闲时钟线为 低电平。
• CPOL = 1：空闲时钟线为 高电平。

2. 时钟相位（CPHA）

CPHA 定义了数据采样的时刻，即在时钟的哪个边沿对数据进行采样。

• CPHA = 0：数据在第一个时钟边沿（时钟脉冲的第一个跳变沿，如上升沿或下降沿）进行采样或发送。
• CPHA = 1：数据在第二个时钟边沿（时钟脉冲的第二个跳变沿，如上升沿或下降沿）进行采样或发送。

SPI 的 4 种工作模式

由 CPOL 和 CPHA 的组合，SPI 有 4 种工作模式。这些模式规定了时钟信号的特性和数据传输的时序。主设备和从设备必须工作在相同的模式下，才能保证通信的正确性。

模式 0：CPOL = 0，CPHA = 0

• 时钟空闲状态为低电平。
• 数据在上升沿（第一个边沿）采样，在下降沿发送。
• 时钟处于低电平，数据在第一个上升沿采样。

模式 1：CPOL = 0，CPHA = 1

• 时钟空闲状态为低电平。
• 数据在下降沿（第二个边沿）采样，在上升沿发送。
• 时钟处于低电平，数据在第一个上升沿发送，第二个下降沿采样。

模式 2：CPOL = 1，CPHA = 0

• 时钟空闲状态为高电平。
• 数据在下降沿（第一个边沿）采样，在上升沿发送。
• 时钟处于高电平，数据在第一个下降沿采样。

模式 3：CPOL = 1，CPHA = 1

• 时钟空闲状态为高电平。
• 数据在上升沿（第二个边沿）采样，在下降沿发送。
• 时钟处于高电平，数据在第一个下降沿发送，第二个上升沿采样。

如何选择 CPOL 和 CPHA

• CPOL 决定了空闲时钟的电平状态（高电平或低电平）。
• CPHA 决定了数据在第一个边沿（上升沿或下降沿）还是第二个边沿进行采样。
• 不同的设备可能要求不同的工作模式，选择 CPOL 和 CPHA 时需参照从设备的规格文档。主设备和从设备的 SPI 模式必须匹配才能成功通信。