​一、SPI接口

1.1 SPI接口简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由摩托罗拉（Motorola）在1980前后提出的一种全双 工同步串行通信接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通信速度最高可达 25MHz以上。 SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、网络控制器、OLED显示驱动器、AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设备之间。

SPI接口通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（Master Output Slave Input，MOSI），一条主设 备输入与从设备输出（Master Input Slave Output，MISO），一条时钟信号（Serial Clock，SCLK），一条从设备使能选择（Chip Select，CS）。

图1  SPI 一主一从示意图

SPI通信只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。图1显示了主机和从机之间的SPI连接。产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。SPI接口可以同时发出和接收数据，因此SPI接口的理论传输速度比I²C更快。SPI 接口通过片选引脚选择从机，一个片选一个从机，因此在多从机结构中，需要占用较多引脚。

来自主机的CS（片选信号）用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。

1.2 多从机配置

多个从机可与单个SPI主机一起使用。从机可以采用常规模式连接，或采用菊花链模式连接。

1.2.1 常规模式连接

在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能(拉低)片选信号，MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于 所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。从上图可以看出，随着从机数量的增加，来自主机的片选线的数量也增加。这会快速增加主机需要提供的输入和输出数量，并限制可以使用的从机数量。可以使用其他技术来增加常规模式下的从机数量，例如使用多路复用器产生片选信号。

1.2.2 菊花链模式

在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。

例如在上图所示的8位系统中，为使第3个从机能够获得数据，需要24个时钟脉冲，而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。上图显示了时钟周期和通过菊花链的数据传播。并非所有SPI器件都支持菊花链模式。请参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。

二、SPI协议

要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能CS信号选择从机。片选通常是低电平有效信号。因此，主机必须在该信号上发送逻辑0以选择从机。SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。在SPI通信期间，数据的发送(串行移出到MOSI/SDO总线上)和接收(采样或读入总线(MISO/SDI) 上的数据)同时进行。串行时钟沿同步数据的移位和采样。SPI接 口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。欲确定使用SPI接口传输的数据位数，请参阅器件数据手册。

2.1 时钟极性和时钟相位

在SPI通信中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。在空闲状态期间，CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。表1显示了这4种SPI模式。

表1  SPI四种工作模式

这里要重点强调CPHA(时钟相位)的作用：

• ​当CPHA=0时，表示数据线上的数据在第一个时钟边沿被采样；
• 当CPHA=1时，表示数据线上的数据在第二个时钟边沿被采样；​

2.2 四种SPI模式下的通信示例

下图显示了四种SPI模式下的通信示例。在这些示例中，数据显示在MOSI和MISO线上。传输的开始和结束用绿色虚线表示，采样边沿用橙色虚线表示，移位边沿用蓝色虚线表示。请注意，这些图形仅供参考。要成功进行SPI通信，用户须参阅产品数据手册并确保满足器件的时序规格。

SPI模式0, CPOL=0, CPHA=0

上图给出了SPI模式0的时序图。在此模式下，时钟极性为0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为0，表示数据在第一个时钟边沿(上升沿)采样(由橙色虚线显示)，并且数据在时钟信号的下降沿移出(由蓝色虚线显示)。

SPI模式1, CPOL=0, CPHA=1

上图给出了SPI模式1的时序图。在此模式下，时钟极性为0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在第二个时钟边沿(下降沿)采样(由橙色虚线显示)，并且数据在时钟信号的上升沿移出(由蓝色虚线显示)。

SPI模式2, CPOL=1, CPHA=0

上图给出了SPI模式2的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为0，表示数据在第一个时钟边沿(下降沿)采样(由橙色虚线显示)，并且数据在时钟信号的上升沿移出(由蓝色虚线显示)。

SPI模式3, CPOL=1, CPHA=1

上图给出了SPI模式3的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在第二个时钟边沿(上升沿)采样(由橙色虚线显示)，并且数据在时钟信号的下降沿移出(由蓝色虚线显示)。