ESP32S3学习Vol2：SPI协议与使用_esp32s3 spi

一、SPI协议背景介绍

SPI ( Serial Peripheral lnterface，串行外围设备接口）通讯协议，是Motorola公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输。

应用:EEPROM、Flash、RTC、ADC、DSP等。

优缺点︰全双工通信，通讯方式较为简单，相对数据传输速率较快;没有应答机制确认数据是否接收，在数据可靠性上有一定缺陷（与l2C相比）。

二、物理层

 SPI通讯设备的通讯模式是主从通讯模式，通讯双方有主从之分，根据从机设备的个数，SPI通讯设备之间的连接方式可分为一主一从和一主多从。

SPI通讯协议包含1条时钟信号线、2条数据总线和1条片选信号线， 时钟信号线为SCK，2条数据总线分别为MOSI(主输出从输入)、MISO(主输入从输出)，片选信号线为，它们的作用介绍如下：

1. SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于同步通讯数据。由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不同，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
2. MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，数据方向由主机到从机。
3. MISO (Master Input，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，数据方向由从机到主机。
4. (Chip Select)：片选信号线，也称为CS_N，以下用CS_N表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同使用这3条总线；而每个从设备都有独立的这一条CS_N信号线，本信号线独占主机 的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。

I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它使用CS_N信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的CS_N信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI通讯。所以SPI通讯以CS_N线置低电平为开始信号，以CS_N线被拉高作为结束信号。

三、协议层

SPI通讯协议的4种模式如下。

模式0：CPOL= 0，CPHA=0。空闲状态时SCK串行时钟为低电平；数据采样在SCK时钟的奇数边沿，本模式中，奇数边沿为上升沿；数据更新在SCK时钟的偶数边沿，本模式中，偶数边沿为下降沿。

模式1：CPOL= 0，CPHA=1。空闲状态时SCK串行时钟为低电平；数据采样在SCK时钟的偶数边沿，本模式中，偶数边沿为下降沿；数据更新在SCK时钟的奇数边沿，本模式中，偶数边沿为上升沿。

模式2：CPOL= 1，CPHA=0。空闲状态时SCK串行时钟为高电平；数据采样在SCK时钟的奇数边沿，本模式中，奇数边沿为下降沿；数据更新在SCK时钟的偶数边沿，本模式中，偶数边沿为上升沿。

模式3：CPOL= 1，CPHA=1。空闲状态时SCK串行时钟为高电平；数据采样在SCK时钟的偶数边沿，本模式中，偶数边沿为上升沿；数据更新在SCK时钟的奇数边沿，本模式中，偶数边沿为下降沿。

CPOL：就是表示设备未被选中的空闲状态时，串行时钟SCK的电平状态，CPOL = 0，空闲状态时SCK为低电平，CPOL = 1，空闲状态时SCK为高电平；

CPHA的不同参数则规定了数据采样是在SCK时钟的奇数边沿还是偶数边沿，CPHA = 0，数据采样是在SCK时钟的奇数边沿，CPHA = 1，数据采样是在SCK时钟的偶数边沿，这里不使用上升沿或下降沿表示，是因为不同模式下，奇数边沿或偶数边沿与上升沿或下降沿的对应不是固定的。

 四、通信过程

1. CS_N信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号。CS_N是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的CS_N线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号处，CS_N信号由低变高，是SPI通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。
2. 数据有效性：SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采图中的MSB先行模式。

观察图中的标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的下降沿期间变化输出，在SCK的上升沿时被采样。即在SCK的上升沿时刻，MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。

SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。

参考文章：SPI协议 - 知乎 (zhihu.com) 

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