SPI通信协议原理及硬件_spi协议原理

1. SPI通信协议简介

SPI是许多不同设备使用的常见通信协议。例如，SD卡模块、RFID读卡器模块和2.4GHz无线发射机/接收器均使用SPI与微控制器进行通信。
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface)的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
SPI的一个独特好处是数据可以不间断地传输。任何数量的位都可以在连续流中发送或接收。使用I2C和UART，数据以数据包方式发送，仅限于特定数量的位。启动和停止条件定义每个数据包的开始和结束，因此数据在传输过程中中断。
通过SPI通信的设备处于主从关系中。主机是控制装置（通常是微控制器)，而从机(通常是传感器、显示器或内存芯片）接受主机的指令。SPI最简单的配置是单主机、单从机系统，但一个主机可以控制多个从机。

MOSI（主机输出/从机输入）——主机向从机发送数据的线
MISO（主机输入/从机输出）——从机向主机发送数据的线
SCLK（时钟）——时钟信号线
SS/CS（从机选择/芯片选择）——用于主机选择给哪个从机发送数据的线

在实践中，从机的数量受系统负载电容限制，这降低了主机在电压级别之间精确切换的能力，另外就是主机是否有足够的IO来控制片选。

2. SPI的工作原理

2.1 时钟

时钟是一个振荡信号，它告诉接收端在确切的时机对数据线上的信号进行采样。每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度由时钟信号的频率决定。SPI通信始终由主发起，并由主机配置和产生时钟信号。
设备共享时钟信号的任何通信协议都称为同步通信协议。SPI是一种同步通信协议。也有不使用时钟信号的异步方法。例如，在 UART通信中，双方被设置为预先配置的波特速率，该速率和时间决定数据传输的速度和时间。
SPI中的时钟信号可以使用时钟极性和时钟相位的特性进行修改。这两个属性协同工作，以定义位的输出时间和采样时间。时钟极性可以由主机设置，以便对时钟周期的上升沿或下降沿进行位的输出和采样。时钟相位可以设置为在时钟周期的第一边缘或第二边缘进行输出和采样，无论它是上升还是下降。

2.1 从机选择

主机可以通过将从机的CS/SS线设置为低电平来选择它想与哪个从机通信。在闲置、非传输状态下，从机选择线保持在高压水平。主机上如果可以提供多个CS/SS 引脚，允许多个从机并行连接。如果只有一个CS/SS 引脚存在，多个从机可以通过菊花链的形式连接到主机。

2.3 多个从机

SPI可以设置为单个主机控制单个从机，也可以设置由单个主机控制的多个从机。
有两种方法可以将多个从机连接到主机上。如果主机具有多个片选引脚，则可以像这样并行连接从机：

如果主机只有一个片选接口，从机可以采用菊花链的形式连接：

在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一 个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。

1. 菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；
2. 另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况。

2.4 MOSI和MISO

主机通过串行MOSI线，逐位的发送数据给从机。从机从主机的MOSI管脚接收数据。主机给从机发送数据，通常首先发送最高有效位。
从机也可以通过MISO串行线给主机回发数据。数据由从机回发给主机通常首先发送最低有效位。

3. SPI数据传输步骤

1. 主机输出时钟信号：

2. 主机拉低SS/CS片选信号，激活对应从机：

3. 主机通过MOSI线发送数据给从机，一次发送一位，从机读取收到的数据位：

4. 如果需要响应，从机则通过MISO线返回数据，一次发送一位，主机读取收到的数据位：
   SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，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。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

4. SPI的四种通信模式

SPI的四种模式，简单地讲就是设置SCLK时钟信号线的那种信号为有效信号。
SPI通信有4种不同的操作模式，不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式，这是不能改变的；但我们的通信双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式。
时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：
CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时
CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时
时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间:
CPHA=0，在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样，在第2个边沿发送数据
CPHA=1，在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样，在第1个边沿发送数据
时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)排列组合就产生四种通讯模式：

1. Mode0：CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿(准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。
2. Mode1：CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。
3. Mode2：CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。
4. Mode3：CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。
   
   
   它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低）。每种模式由一对参数刻画，它们称为时钟极（clock polarity）CPOL与时钟期（clock phase）CPHA。

5. SPI的三种工作模式

1. 运行模式（Run Mode）
   基本的操作模式。
2. 等待模式（Wait Mode）
   SPI工作在等待模式是一种可配置的低功耗模式，可以通过SPICR2寄存器的SPISWAI位进行控制。在等待模式下，如果SPISWAI位清0，SPI操作类似于运行模式。如果SPISWAI位置1，SPI进入低功耗状态，并且SPI时钟将关闭。如果SPI配置为主机，所有的传输将停止，但是会在CPU进入运行模式后重新开始。如果SPI配置为从机，会继续接收和传输一个字节，这样就保证从机与主机同步。
3. 停止模式（Stop Mode）
   为了降低功耗，SPI在停止模式是不活跃的。如果SPI配置为主机，正在进行的传输会停止，但是在CPU进入运行模式后会重新开始。如果SPI配置为从机，会继续接受和发送一个字节，这样就保证了从机与主机同步。

6. SPI的优缺点

6.1 优点

1. 没有启动和停止位，因此数据可以连续流式传输而不中断；
2. 没有像I2C这样复杂的从机寻址系统；
3. 数据传输率高于12C（几乎是I2C的两倍)；
4. 分离MISO和MOSI线，以便可以同时发送和接收数据。

6.2 缺点

1. 使用四根电线(I2C和 UART使用两根线)；
2. 不确认数据已成功接收（I2C有此)；
3. 没有任何形式的错误检查，如在UART中的校验位；
4. 只允许一个主机。