SPI协议（嵌入式学习）

概念

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行外设接口协议，用于在数字系统之间进行通信。它被广泛应用于嵌入式系统和电子设备中，用于连接微控制器、传感器、存储器、显示屏等外设。

SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线/四线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构。时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信。 SPI总线被广泛地使用在FLASH、ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。

SPI协议是一种同步通信协议，它使用主从架构进行通信。通常情况下，一个主设备（通常是微控制器或处理器）控制一个或多个从设备（如传感器或存储器）。

SPI协议的基本原理是，主设备通过四根信号线与从设备进行通信：

1. SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备提供，用于同步数据传输。
2. MOSI（Master Output, Slave Input）：主设备输出，从设备输入，用于主设备向从设备发送数据。
3. MISO（Master Input, Slave Output）：主设备输入，从设备输出，用于从设备向主设备发送数据。
4. SS（Slave Select）：从设备选择信号，由主设备提供，用于选择要进行通信的从设备。

SPI协议的工作方式如下：

1. 主设备选择一个从设备，通过将对应的SS信号置为低电平。
2. 主设备提供时钟信号（SCLK），在时钟的上升沿或下降沿进行数据传输。
3. 主设备通过MOSI线发送数据给从设备，从设备通过MISO线发送数据给主设备。
4. 数据传输可以是全双工的，即主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
5. 数据的传输顺序可以是位序（LSB first）或字节序（LSB first或MSB first）。
6. 传输完成后，主设备将对应的SS信号置为高电平，结束与从设备的通信。

SPI协议具有简单、高速和灵活性的特点，但它没有定义错误检测和纠正机制，因此在实际应用中，需要通过其他方式来确保数据的可靠性。

时序

SPI协议的时序是指在通信过程中各个信号线的时序关系和数据传输的时机。下面是SPI协议的典型时序图示例：

     Master                  Slave
       |                       |
   SS  |---------------------->| Slave Select
       |                       |
   SCLK|---------------------->| Clock
       |                       |
 MOSI  |--> Data (Master)      |
       |                       |
 MISO  |<-- Data (Slave)       |
       |                       |
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

SPI协议的时序如下：

1. 主设备选择从设备：

   • 主设备将对应的SS信号置为低电平，选择要进行通信的从设备。
   • 其他从设备的SS信号保持高电平，表示不进行通信。

2. 时钟信号（SCLK）：

   • 主设备提供时钟信号，控制数据传输的时序。
   • 时钟信号的极性（上升沿或下降沿）和相位（采样时刻）可能根据设备的要求而有所不同。

3. 数据传输：

   • 主设备通过MOSI线（主输出，从输入）向从设备发送数据。
   • 从设备通过MISO线（主输入，从输出）向主设备发送数据。
   • 数据的传输可以是全双工的，即主设备和从设备可以同时发送和接收数据。

4. 数据传输顺序：

   • 数据的传输顺序可以是位序（LSB first）或字节序（LSB first或MSB first）。
   • 在每个时钟周期中，主设备和从设备都在对应的数据线上发送或接收一位数据。

5. 数据结束：

   • 数据传输完成后，主设备将对应的SS信号置为高电平，结束与从设备的通信。

请注意，SPI协议的时序可能会根据具体的设备和通信要求而有所不同，上述时序图仅提供了一个典型的示例。在实际应用中，需要参考设备的数据手册或规范以了解具体的时序要求。

SPI通信模式图

起始信号: NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号
结束信号：NSS信号由低变高，是SPI通讯的停止信号
数据传输：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高位在前低位在后，且数据输入输出是同时进行的。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。

四种通信模式

当CPHA为0，是sck时钟线为奇数边沿采样
（1）CPOL=0，空闲状态是时钟为低电平
（2）CPOL=1，空闲状态是时钟为高电平
当CPHA为1，是SCK时钟线为偶数边沿采样
（1）CPOL=0，空闲状态是时钟为低电平
（2）CPOL=1，空闲状态是时钟为高电平
数据线被采样，都是等待数据线变化稳定半个时钟周期进行采样。

优缺点

SPI（Serial Peripheral Interface）协议具有以下优点和缺点：

优点：

1. 简单：SPI协议相对于其他通信协议（如I2C）来说更为简单，因为它不需要地址和复杂的协议处理。
2. 高速：SPI协议支持高速数据传输，因为它是基于同步时钟的，并且可以使用较高的时钟频率。
3. 全双工传输：SPI协议允许主设备和从设备同时发送和接收数据，实现全双工通信。
4. 灵活性：SPI协议可以支持多主设备和多从设备的连接，因此具有较高的灵活性。
5. 低延迟：由于SPI协议的简单性和直接性，它可以实现低延迟的数据传输。

缺点：

1. 线数多：SPI协议在连接设备时需要使用多条信号线，至少需要四条信号线（SCLK、MOSI、MISO、SS），这在一些资源受限的系统中可能会成为问题。
2. 信号干扰：由于信号线数量较多，SPI协议对信号线的布局和维护要求较高，信号干扰和串扰可能会对数据传输造成影响。
3. 缺乏标准化：SPI协议在一定程度上缺乏统一的标准化，因此不同设备之间的SPI接口可能存在差异，需要针对具体设备进行配置和适配。
4. 无错误检测和纠正机制：SPI协议本身没有定义错误检测和纠正机制，因此需要额外的机制或协议来确保数据的可靠性和完整性。

总体而言，SPI协议适用于对速度和简单性要求较高的应用场景，特别是在嵌入式系统和小规模设备之间进行短距离通信时常被使用。然而，对于复杂的通信需求或长距离通信，其他协议（如I2C、UART）可能更为适合。选择使用哪种通信协议应该根据具体的应用需求和设备特性进行评估。