SPI接口入門指南

作者：糊涂振

出品：汽車電子與軟件

01SPI概念

SPI（Serial Peripheral interface, 串行外設(shè)接口）是微處理控制單元(MCU)和外圍IC（如傳感器、ADC、DAC、驅(qū)動芯片和外部存儲設(shè)備等）之間進行通信的同步串行端口，其通信速率一般可以從幾千bps到幾百Mbps甚至更高, 具體的SPI通信速率取決于主設(shè)備和從設(shè)備的規(guī)格和性能，以及他們之間的協(xié)商和支持能力。

Source：An Introduction to SPI Communications Protocol

SPI是一種全雙工，同步，主從式接口，涉及兩個主要角色：主設(shè)備（Master）和從設(shè)備（Slave）。SPI接口可以是3線式或4線式，這里重點介紹常用的4線SPI接口。4線SPI接口有四個信號：時鐘信號(SCLK)，片選信號(SS/CS)，主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入信號(MOSI)和主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出信號(MISO)，如下所示：

Source: SPI Protocol - Serial Peripheral Interface - javatpoint

其中，

SCLK（Serial Clock）：時鐘信號線，由主設(shè)備提供，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。

MOSI（Master Out, Slave In）：主設(shè)備輸出，從設(shè)備輸入，用于主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

MISO（Master In, Slave Out）：主設(shè)備輸入，從設(shè)備輸出，用于從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

SS（Slave Select）：從設(shè)備選擇信號線，由主設(shè)備控制，用于選擇要與主設(shè)備通信的從設(shè)備。

02SPI原理

利用四線SPI接口可以構(gòu)建不同SPI模式（拓撲方式），比如單主單從，單主多從和菊花鏈等模式，接下來就結(jié)合不同SPI模式來分別介紹SPI工作原理。

1）單主單從模式

單主單從模式，即主設(shè)備的SCLK、MOSI和MISO連接到從設(shè)備的相應(yīng)引腳。從設(shè)備與主設(shè)備之間只有一組SCLK、MOSI和MISO線連接，如下所示：

Source: Basics of the SPI Communication Protocol (circuitbasics.com)

其基本原理是：

首先是時鐘同步，主設(shè)備產(chǎn)生SCLK，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序。時鐘信號由主設(shè)備提供，并在主設(shè)備和從設(shè)備之間同步傳輸。

Source: Basics of the SPI Communication Protocol

然后是片選信號，主設(shè)備將SS/CS引腳切換到低電壓狀態(tài)，從而激活了從設(shè)備。

Source: Basics of the SPI Communication Protocol

最后是數(shù)據(jù)傳輸過程，主設(shè)備通過MOSI線向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。從設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，將其通過MISO線傳輸給主設(shè)備。主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是同時進行的。

Source: Introduction to SPI Interface | Analog Devices

2）單主多從模式

單主多從模式，即主設(shè)備的SCLK和MOSI連接到每個從設(shè)備的相應(yīng)引腳，從設(shè)備的MISO連接到主設(shè)備的MISO引腳，每個從設(shè)備有獨立的SS引腳與主設(shè)備連接，主設(shè)備通過選擇SS來選擇要與之通信的從設(shè)備。

Source: Basics of the SPI Communication Protocol

其基本原理與單主單從模式的幾乎相同，唯一區(qū)別是當某個從設(shè)備的SS處于低電平時，該從設(shè)備與主設(shè)備進行通信，其他從設(shè)備的SS處于高電平狀態(tài)。

3）菊花鏈模式

菊花鏈模式，即主設(shè)備的MOSI和SCLK連接到第一個從設(shè)備的MOSI和SCLK。從第一個從設(shè)備的MISO連接到第二個從設(shè)備的MOSI，以此類推，直到最后一個從設(shè)備的MISO。

Source: Basics of the SPI Communication Protocol

其工作原理是：

首先，主設(shè)備提供SCLK，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序。時鐘信號由主設(shè)備產(chǎn)生，并在整個菊花鏈中進行傳遞，從設(shè)備根據(jù)時鐘信號的邊沿進行數(shù)據(jù)的傳輸和接收。

然后，主設(shè)備通過MOSI線將數(shù)據(jù)發(fā)送到第一個從設(shè)備，第一個從設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，將其通過MISO線傳輸給第二個從設(shè)備，這樣，數(shù)據(jù)從一個從設(shè)備級聯(lián)傳輸?shù)较乱粋€從設(shè)備，直到傳輸?shù)阶詈笠粋€從設(shè)備。

每個從設(shè)備都需要有一個獨立的SS，主設(shè)備通過控制相應(yīng)的SS選擇要與之通信的從設(shè)備，只有被選中的從設(shè)備才會響應(yīng)主設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

在菊花鏈模式下，當數(shù)據(jù)從一個從設(shè)備傳播到下一個從設(shè)備時，傳輸數(shù)據(jù)所需的時鐘周期數(shù)量與從設(shè)備在菊花鏈中的位置成正比。在一個8位系統(tǒng)中，第3個從設(shè)備上的數(shù)據(jù)需要24個時鐘脈沖，而在常規(guī)的SPI模式中只需要8個時鐘脈沖，下圖顯示了通過菊花鏈傳播的時鐘周期和數(shù)據(jù)。

Source: Introduction to SPI Interface | Analog Devices

03SPI核心思想

SPI的核心思想是，每個設(shè)備都有一個移位寄存器，它可以用來發(fā)送或接收一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。這兩個移位寄存器以環(huán)形方式連接在一起，一個寄存器的輸出到另一個寄存器的輸入，反之亦然。主設(shè)備控制共同的時鐘信號，確保每個寄存器在另一個寄存器移出一個比特時，正好移入一個比特。

Source: What Could Go Wrong: SPI | Hackaday

04SPI數(shù)據(jù)傳輸

4.1采樣和移位

根據(jù)上面內(nèi)容可知SPI通信，主設(shè)備必須發(fā)送SCLK信號，并通過使能SS信號（低電平）選擇從設(shè)備。然后主設(shè)備和從設(shè)備可以分別通過MOSI和MISO線路同時發(fā)送數(shù)據(jù)。在SPI通信期間，數(shù)據(jù)的發(fā)送（串行移出到MOSI/SDO總線上，即移位）和接收（采樣或讀入總線(MISO/SDI)上的數(shù)據(jù)，即采樣）同時進行。

?Sample（采樣）

采樣是指主設(shè)備或從設(shè)備在時鐘的上升沿或下降沿時讀取數(shù)據(jù)位的操作。采樣的目的是在合適的時機獲取正確的數(shù)據(jù)位，以確保數(shù)據(jù)的準確傳輸。

?Shift（移位）

移位是指數(shù)據(jù)位從發(fā)送器移動到接收器的過程，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。移位是SPI通信中的關(guān)鍵步驟之一，確保數(shù)據(jù)的逐位傳輸和同步。

4.2時鐘極性和時鐘相位

具體何時進行采樣和移位操作，可以通過設(shè)置時鐘極性和時鐘相位來實現(xiàn)。

?時鐘極性（Clock Polarity，CPOL）

在空閑狀態(tài)期間，CPOL位設(shè)置時鐘信號的極性。

CPOL = 1：表示空閑時是高電平；

CPOL = 0：表示空閑時是低電平。

空閑狀態(tài)是指傳輸開始時CS為高電平且在向低電平轉(zhuǎn)變的期間，以及傳輸結(jié)束時CS為低電平且在向高電平轉(zhuǎn)變的期間，如下所示：

?時鐘相位（Clock Phase，CPHA）

CPHA位選擇時鐘相位。根據(jù)CPHA位的狀態(tài)，使用時鐘上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。

CPHA = 0：表示從第一個跳變沿開始采樣；

CPHA = 1：表示從第二個跳變沿開始采樣。

主設(shè)備必須根據(jù)從設(shè)備的要求選擇時鐘極性和時鐘相位，根據(jù)上述CPOL和CPHA位的選擇，有四種SPI模式可用，如下所示：

?

?

對應(yīng)到數(shù)據(jù)位，以CPOL = 0，CPHA = 0為例，綠色虛線表示片選使能，橙色虛線表示采樣，藍色虛線表示移位，如下所示：

Source: Introduction to SPI Interface | Analog Devices

4.3傳輸位序

先發(fā)送高bit（MSB），還是先發(fā)送低bit（LSB）。如下圖所示，若采用MSB first，那么MOSI發(fā)送的數(shù)據(jù)為01000011, 即0x43。

Source: Basics of the SPI Communication Protocol

若采用LSB first，那么MISO接收到0x43后，發(fā)送形式如下所示：

Source: Basics of the SPI Communication Protocol

4.4 數(shù)據(jù)長度

注意上面的各圖演示的都是傳輸8位數(shù)據(jù)，實際上SPI可以根據(jù)設(shè)備所支持的情況傳輸不同位數(shù)的數(shù)據(jù)，比如Aurix TC2xx系列最高支持32位數(shù)據(jù)傳輸。

總的來說，SPI數(shù)據(jù)傳輸取決于具體配置，選取哪種模式，何時采樣，數(shù)據(jù)有多少位，是MSB還是LSB first，當然除此之外，實際實現(xiàn)這個功能還需要考慮更多因素。

05總結(jié)

到此本文就以比較淺顯易懂的方式介紹了SPI的基本內(nèi)容，即通過四根信號線（SCLK, SS, MISO, MOSI），結(jié)合移位寄存器，實現(xiàn)主從設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸；關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸如何配置，要要設(shè)置時鐘極性，時鐘相位等參數(shù)。對于有需要深入研究這個主題的朋友。

審核編輯：湯梓紅