1 SPI协议简介

SPI（Serial Peripheral Interface）协议是由摩托罗拉公司提出的通信协议，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间，使用于对通信速率要求较高的场合。

1.1 SPI物理层

SPI通信设备之间的常用连接方式如下图所示：

SPI通信使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为SS，它们的作用介绍如下：

1. SS（Slave Select）：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为NSS、CS，以下用NSS表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其他信号线SCK、MOSI、及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同使用这3条总线；而每个从设备都有独立的一条NSS信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。IIC协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通信；而SPI协议中没有地址，它使用NSS信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，主机便可以开始与被选中的从设备进行SPI通信。所以SPI通信以NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。
2. SCK（Serial Clock）：时钟信号线，用于通信数据同步。它由通信主机产生，决定了通信的速率。不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如STM32的SPI时钟频率最大为。两个设备通信时，通信速率受限于低速设备。
3. MOSI（Master Output，Slave Input）：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
4. MISO（Master Input，Slave Output）：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机由这条信号线输出到主机，即这条线上数据的方向为从机到主机。

1.2 SPI协议层

与IIC类似，SPI协议定义了通信的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

1.2.1 SPI基本通信过程

先看看SPI通信的通信时序，如下图所示：

这是一个主机的通信时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生、主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期，MOSI和MISO传输一位数据。

1.2.2 通信的起始和停止信号

以上通信流程中包含的各个信号分解如下：

在标号①处，NSS信号由高变低，是SPI通信的起始信号。NSS是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的NSS线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通信。在标号⑥处，NSS信号由低变高，是SPI通信的停止信号，表示本次通信结束，从机的选中状态被取消。

1.2.3 数据有效性

SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通信设备之间使用同样的协定，一般会采用MSB先行模式。

观察图中②③④⑤标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿器件变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻，MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据“1”，低电平时表示数据“0”，在其他时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。

SPI每次数据传输可以是8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。

1.2.4 CPLO/CPHA及通信模式

上面讲述的只是SPI中的一种通信模式，SPI一共有4种通信模式，它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。

时钟极性CPOL是指SPI通信设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号（即SPI通信开始前、NSS线为高电平时SCK的状态）。CPOL=0时，MOSI或MISO数据线上的信号会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样，如下图所示：

当CPHA=1时，数据线在SCK的“偶数边沿”被采样，如下图所示：

我们来分析CPHA=0的时序图。首先，根据SCK在空闲状态时的高电平，分为两种情况。SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。

无论CPOL是0还是1，因为我们配置的时钟相位CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在SCK的奇数边沿。注意当CPOL=0的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变，数据信号将在SCK奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。

类似地，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样。

由于CPLO及CPHA的不同状态，SPI分成了4种模式，见下表所示。主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通信，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

——未完待续——