SPI协议详解

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外设接口的缩写，SPI是一种高速的、全双工、同步的串行通信总线，由摩托罗拉公司（Motorola）于 20 世纪 80 年代提出，主要用于短距离内的芯片间通信，广泛应用于传感器、存储器、显示屏、ADC/DAC 等外设与微控制器（MCU）的连接。

1. SPI 协议的基本特点

串行通信：一次发送1bit数据。
同步通信：通过时钟信号（SCLK）同步数据传输，发送方和接收方基于同一时钟工作。
全双工通信：数据可以同时双向传输（主设备发送的同时接收，从设备接收的同时发送）。
单主多从架构：通常由一个主设备（如 MCU）控制多个从设备（如传感器），从设备不能主动发起通信。
无地址机制：通过片选信号（CS/NSS）选择目标从设备，而非通过地址识别。
灵活的数据长度：数据传输位数可自定义（常见 8 位，也支持 16 位、32 位等）。
高速传输：速率通常可达几 Mbps 到几十 Mbps，具体取决于器件支持的最大时钟频率。

2. SPI的信号线组成

SPI从器件一般需要4根线（也有3根线的，单工，只有接收或者只有发送），分别是MISO（主设备输入从设备输出）、MOSI（主设备输出从设备输入）、SCLK（时钟）、CS（片选）；SPI使用引脚较少且布线方便，所以越来越多的芯片集成了这种通信协议。

3. 寻址方式

当主设备要和某个从设备进行通信时，主设备需要先向对应从设备的片选线上发送使能信号（高电平或者低电平，根据从机而定）表示选中该从设备。

4. 通信过程

SPI总线在进行数据传送时，先传送高位，后传送低位；数据线为高电平表示逻辑"1"，低电平表示逻辑"0"；一个字节传送完成后无需应答即可开始下一个字节的传送；SPI总线采用同步方式工作，时钟线在上升沿或下降沿时发送器向数据线上发送数据，在紧接着的下降沿或者上升沿时接收器从数据线上读取数据，完成一位数据传送，八个时钟周期即可完成一个字节数据的传送。

5. 极性和相位

SPI总线有四种不同的工作模式，取决于时钟的极性（CPOL，Clock Polarity）和相位（CPHA，Clock Phase）这两个因素。

CPOL表示SCLK空闲时的状态：
- CPOL=0，空闲时SCLK为低电平；
- CPOL=1，空闲时SCLK为高电平；
CPHA表示采样时刻：
- CPHA=0，每个周期的第一个时钟沿采样；
- CPHA=1，每个周期的第二个时钟沿采样；

5.1 CPOL=0, CPHA=0

空闲时SCLK为低电平；每个周期的第一个时钟沿采样，也就是上升沿。

注：*MSB表示前一帧的MSB。

5.2 CPOL=0, CPHA=1

空闲时SCLK为低电平；每个周期的第二个时钟沿采样。

注：LSB*表示下一帧的LSB。

5.3 CPOL=1, CPHA=0

空闲时SCLK为高电平；每个周期的第一个时钟沿采样。

注：*MSB表示前一帧的MSB。

5.4 CPOL=1, CPHA=1

空闲时SCLK为高电平；每个周期的第二个时钟沿采样。