干货教学 | SPI 子系统（一）：SPI spec

1、SPI  hardware

SPI：Serial Perripheral Interface，串行外围设备接口，由 Motorola 公司提出，是一种高速、全双工、同步通信总线。SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，无应答机制。

本文我们讲解标准的 4 线 SPI，四根线如下：

①、CS/SS，Slave Select/Chip Select，片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。

②、SCK，Serial Clock，串行时钟，和 I2C 的 SCL 一样，为 SPI 通信提供时钟。

③、MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，主输出从输入。

④、MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，主输入从输出。

2、SPI 四种工作模式

SPI 有四种工作模式，通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式：

①、CPOL=0，串行时钟空闲状态为低电平。
②、CPOL=1，串行时钟空闲状态为高电平。
③、CPHA=0，串行时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。
④、CPHA=1，串行时钟的第二个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。

示例波形图如下：

SPI 是全双工的，所以读写时序可以一起完成。

3、SPI 传输机制

从图可以看出，主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

虽然 SPI 四线制支持读写同时进行，但实际上我们很多时候并不需要又读又写，见以下两种情况（参考 BMA223 数据手册）：

注意：如下三幅图示均为 CPOL=1，CPHA=1

1、主机向从机写数据

主机发送先发送 8 bits，第一个 bit 为 0 代表这次主机是想写数据到从机，AD6~AD0 表示要写的寄存器地址。然后，主机就会一直写下去。在这期间 SDO 一直没用，一直是高阻态，算是一直读到1。

2、主机从从机读数据

这种情况下，主机先发送 8 bits，第一位为 1 代表这次是读，然后 AD6 ~ AD0 是想要读的寄存器地址，然后 SDO 开始返回数据。

4、SPI timing diagram

Tcsb_setup：建立时间
Tcsb_hold：保持时间
tsckl：低电平时间
tsckh：高电平时间
SCK period ：Tsckl + tsckh
一般情况下 Tsckl = tsckh

注意：真实的波形图如上，高低电平并不是到达最高点才算，0.3Vdd 以下为低电平，0.7Vdd 以上为高电平，计算信号时间长度的时候需要注意这个微小的时间，硬件设计必须注意信号质量风险，软件开发人员也要会看波形图。

这里的参数，一般 spi 驱动不需要设置，但是半导体厂商提供的 spi 控制器驱动中，可以修改这些参数。我们写 SPI 驱动时候，可以根据从设备的要求来修改这些参数。

5、DMA 与 FIFO

不同平台对于 SPI FIFO 和 DMA 的 buffer size 设置不同：

传输 32bytes 以下使用 FIFO，传输 32bytes 以上使用 DMA。

DMA 可以自动发起多次传输，一次最大 256K 。

6、I2C 与 SPI 对比

功能	I2C	SPI
线数	2(SDA,SCL)	4(MOSI,MISO,SCLK,CS)
主机数量	>=1	==1
类型	半双工	全双工
回应机制	yes	no
速度	<=3.4Mbps	high
应用	重要数据	大量数据
流控	yes	no
设备地址	yes	no
常规用途	命令	数据

I2C 和 SPI 的速率如下：

I2C模式	速度
标准	100KHz
快速	400KHz
快速+	1MHz
高速	3.4MHz

SPI 速率：几十 MHz 甚至上百 MHz，速度取决于 CPU 的 SPI 控制器和时钟 clock

STM32F103 的 SPI 最高支持 18MHz，imx6ull 的 SPI 最高支持 52MHz，其他芯片一般用不到更高的，因为速度越快波形质量越不好，越容易出问题。

具体采用多大速率还和外设有关，比如 EEPROM 的 W25Q128 的 SPI 最高支持 80MHz，ICM20608 传感器的 SPI 最高支持8MHz。一般用在 flash 上的速度会较快。

SPI 协议其实是包括：Standard SPI、Dual SPI 和 Queued SPI 三种协议接口。

Dual SPI 还是四线制，只是传输线可以变为同方向，速度是 Standard SPI 的两倍。

Queued SPI 是六线制，多了两根数据线，传输速度是 Standard SPI 的四倍。