SPI总线基础知识

SPI简介

SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外设接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线，常用于 STM32 微控制器与各种外设（如传感器、存储器等）进行通信。

SPI结构和接线

SPI 总线通常由四条信号线组成：

• SCK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生，用于同步主从设备之间的数据传输。
• MOSI（Master Output Slave Input）：主设备输出、从设备输入，主设备通过此线向从设备发送数据。
• MISO（Master Input Slave Output）：主设备输入、从设备输出，从设备通过此线向主设备发送数据。
• NSS（Negative Slave Select）：从设备选择信号，主设备通过拉低该信号来选中对应的从设备，低电平有效。

线路连接时主机的MOSI分别和从机的MOSI连接，从机的MISO分别和主机的MISO连接，SCK由主机的SCK分别连接到从机的SCK，NSS由主机对应的引脚连接到对应的从机。

SPI相关设置参数

1. 工作模式（主模式与从模式）

• 含义
  • 主模式（Master）：主设备负责产生时钟信号（SCK），并控制整个通信过程，包括选择从设备（通过拉低 SS 信号）和发起数据传输。主设备可以主动向从设备发送数据，也可以接收从设备返回的数据。
  • 从模式（Slave）：从设备被动响应主设备的通信请求，它接收主设备产生的时钟信号，并根据该信号进行数据的发送和接收。从设备不能主动发起通信，只有在主设备选中它之后才能进行数据交互。
• 影响：工作模式的选择决定了设备在 SPI 通信网络中的角色和功能，主从设备必须相互配合才能完成数据的正常传输。

2. 时钟极性（CPOL - Clock Polarity）

• 含义：CPOL 定义了时钟信号（SCK）在空闲状态（即没有数据传输时）的电平状态。它有两种取值：
  • CPOL = 0：表示 SCK 在空闲时为低电平。
  • CPOL = 1：表示 SCK 在空闲时为高电平。
• 影响：CPOL 影响了数据采样和发送的时机。不同的 CPOL 设置需要主从设备保持一致，否则会导致数据传输错误。
• 

3. 时钟相位（CPHA - Clock Phase）

• 含义：CPHA 定义了数据采样和发送相对于时钟信号的边沿关系，也有两种取值：
  • CPHA = 0：表示数据在 SCK 的第一个边沿（上升沿或下降沿，取决于 CPOL）进行采样，在第二个边沿进行发送。
  • CPHA = 1：表示数据在 SCK 的第二个边沿进行采样，在第一个边沿进行发送。

• 影响：CPHA 与 CPOL 共同决定了 SPI 的四种时钟模式，主从设备必须使用相同的时钟模式才能正确地进行数据传输。

4. 数据帧格式

• 含义：数据帧格式指定了每次传输的数据位数，常见的有 8 位和 16 位两种格式。
  • 8 位数据帧：每次传输一个字节的数据，适用于大多数简单的外设通信。
  • 16 位数据帧：每次传输两个字节的数据，可提高数据传输效率，适用于需要高速传输大量数据的场景。
• 影响：主从设备需要使用相同的数据帧格式，否则会导致数据解析错误。
• 

5. 波特率预分频器

• 含义：波特率预分频器用于设置 SPI 通信的时钟频率，它将系统时钟进行分频，得到 SPI 的时钟信号（SCK）频率。不同的微控制器有不同的预分频系数可选，例如在 STM32 中，波特率预分频器可以设置为 2、4、8、16 等。
• 影响：波特率预分频器的值决定了 SPI 通信的速率，值越小，SCK 频率越高，通信速度越快，但同时也可能增加信号干扰和传输错误的风险；值越大，SCK 频率越低，通信速度越慢，但数据传输的稳定性可能会提高。主从设备的波特率必须保持一致，以确保数据的正确传输。同时也要考虑硬件是否满足波特率的承载要求。

6.最高有效位（MSB）优先

• 含义：在 MSB 优先模式下，数据传输时先发送或接收数据的最高位。例如，对于一个 8 位的数据 0b10110100，在 MSB 优先的 SPI 传输中，首先传输的是最高位 1，然后依次是 0、1、1、0、1、0、0。
• 应用场景：MSB 优先是 SPI 通信中最常用的传输顺序，许多标准的 SPI 设备（如 SPI 接口的传感器、存储器等）默认都采用 MSB 优先模式进行数据传输。这是因为在很多数据处理和存储系统中，高位数据通常代表更重要的信息，MSB 优先传输符合数据处理的习惯。

7.最低有效位（LSB）优先

• 含义：在 LSB 优先模式下，数据传输时先发送或接收数据的最低位。对于同样的 8 位数据 0b10110100，在 LSB 优先的 SPI 传输中，首先传输的是最低位 0，然后依次是 0、1、0、1、1、0、1。
• 应用场景：LSB 优先模式相对较少使用，但在一些特定的应用场景中可能会用到，例如某些特殊的外设或通信协议要求采用 LSB 优先进行数据传输。