通信协议整理之 SPI 通信

文章目录

通信协议整理之 SPI 通信
- 简介
- 工作原理
- 通信连接方式
- 补充
- - 硬件 SPI 和模拟 SPI

简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工同步通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。SPI接口主要应用在 EEPROM ，FLASH ，实时时钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器等外设之间。
SPI 通信的一个独特优势是数据可以不间断地传输。可以在连续流中发送或接收任意数量的位。在使用 IIC 和 UART 协议时，数据是以数据包的形式发送的，数据包中定义了开始和结束的位，因此数据在传输过程中会中断。
通过 SPI 进行通信的设备属于主从关系。因此，SPI 协议主设备（主站）同样可以控制多个从设备（从站）。
SPI 引脚定义：

MOSI（主输出/从输入）：主站将数据发送到从站的线路。
MOSI（主输出/从输入）：主站将数据发送到从站的线路。
SCLK（时钟）：时钟信号的线路。
SS/CS（从机选择）：主站选择线，用于选择要将数据发送到哪个从机。

SPI 是串行通讯协议，数据是一位一位传输的，由 SCLK 提供时钟脉冲， MOSI ， MISO 则基于此脉冲完成数据传输及同步的。例如数据输出通过 MOSI 引脚，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取，以此完成一位数据传输，输入也同理。

值得注意的是， SCLK 信号线仅由主设备控制，从设备不能控制信号线。因此，在一个基于 SPI 协议的通信系统中，至少得有一个主设备。

这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，SPI允许数据一位一位的传送，而不需要一次传输至少八位数据（一个字节），SPI 甚至允许暂停，因为 SCLK 时钟线仅由主控设备控制，主设备通过对 SCLK 时钟线的控制可以完成对通讯的控制，比如当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据，反之则采集数据。SPI 还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。

工作原理

从上述可知，SPI 协议的通信是由时钟信号控制的，时钟信号负责将主设备的数据位输出与从设备的位采样同步。每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度取决于信号的频率。
SPI 中的时钟信号可以使用时钟极性和时钟相位属性进行修改。这两个属性协同工作，以定义何时输出以及何时进行采样。这就涉及 SPI 通信的时序，详解如下：

CPOL ：时钟极性选择，为 0 时 SPI 总线空闲为低电平；为 1 时 SPI 总线空闲为高电平。
CPHA ：时钟相位选择，为 0 时在 SCLK 第一个跳变沿采样；为 1 时在 SCLK 第二个跳变沿采样。
由此组合，可以得到 SPI 的四种工作模式：

SPI 模式	CPOL	CPHA	空闲状态下的时钟极性	用于采样和/或移位数据的时钟相位
1	0	0	逻辑低电平	数据在上升沿采样
2	0	1	逻辑低电平	数据在下降沿采样
3	1	0	逻辑高电平	数据在下降沿采样
4	1	1	逻辑高电平	数据在上升沿采样

通信连接方式

SPI 主设备要与某个从设备通信时，可以将从设备的 CS/SS 线路设置为低电平。反之，在空闲下，从设备选择线保持在高电平。主设备可以有多个从设备选择引脚，即 CS/SS 引脚，且允许多个从设备并联接线。如果主设备只有一个 CS/SS 引脚，则可以通过菊花链的形式将多个从设备连接到主站。
具体方法如下：

补充

硬件 SPI 和模拟 SPI

与 IIC 通信类似， SPI 通信也可用 IO 口模拟 SPI 协议时序来实现通信。
硬件 SPI 速度快，且可以使用 DMA 来进行加速。
软件 SPI 接口相对灵活，但时序较复杂，代码量较多。