SPI协议详解

SPI(Serial Peripheral Interface)总线是一种高速、串行、全双工通信总线，由Motorola公司设计并推广。

优点是支持全双工通信，传输速率快，SCLK时钟频率最高可以达到50MHz左右。

缺点是没有流控制机制，不像I2C有应答机制，也不像UART有数据帧校验机制。

总线引脚

SPI总线以主从方式工作，支持多主多从、单主多从、单主单从模式，拥有四个信号线：

MISO – Master Input Slave Output,主设备数据输入，从设备数据输出；
MOSI – Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；

需要注意的是，SCLK只有在数据传输的过程中产生时钟周期，不进行数据传输时保持高电平或者低电平；

CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。

其中CS信号线主要用于片选，实际通信使用MISO/MOSI/SCLK三根信号线。

单主单从模式如下：

单主多从模式如下：（每个SPI设备由一根独立的CS片选信号进行片选）

总线时序

根据CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）的组合区分，SPI总线时序有四种模式。SPI通信的双方必须同时工作在其中一种模式下，往往是主控制器匹配SPI设备的工作模式。

Mode0：CPOL=0，CPHA=0
Mode1：CPOL=0，CPHA=1
Mode2：CPOL=1，CPHA=0
Mode3：CPOL=1，CPHA=1

其中SPI 0和SPI 3两种模式最常用。

CPOL用来控制SCLK信号的Active状态是高电平还是低电平。

0 - SCLK高电平为Active状态

1 - SCLK低电平为Active状态

CPHA用来控制MOSI和MISO在第几个SCLK边沿进行数据采样。

0 - 第一个SCLK边沿采样，第二个边沿发送

1 - 第一个SCLK边沿发送，第二个边沿采样

总结：

SPI总线协议本身并不复杂，这就意味着复杂性在SPI设备驱动的软件编码上，具体体现在：

1）SPI总线协议没有数据校验机制，因此，必须根据SPI设备支持的SCLK时钟频率范围设置SPI时钟频率，实际应用中，可能会碰到示波器量时序信号没问题，但是SPI设备不回复数据或者回复数据错误的情况，大概率就是因为时钟频率不满足SPI设备要求导致的；

2）SPI控制器的发送是直接将数据写入一个移位寄存器中，该移位寄存器跟随SCLK时钟发送数据；SPI控制器的接收与发送同步进行，也就是说发送数据的同时，也在接收数据，而接收数据是写入一个缓存寄存器中，如果缓存寄存器的值不及时读取的话，后续接收的数据会直接丢弃而不是覆盖到该缓存寄存器中，因此，每一次写数据之后，一定要读取数据，即使读取的数据无意义。

3）SPI设备往往不会主动发送数据，而是被动应答；而SPI总线只有在主机发送数据的时候才会产生SCLK时钟周期信号，因此，往往读数据时，需要主机往SPI总线上发送任意数据；