SPI总线协议的主要通信原理是什么？详解分析

[导读]SPI总线协议的通信原理主要是通过全双工模式进行数据传输。这种协议通常包括一个主设备和多个从设备，主设备通过选择不同的从设备以及向其发送数据和接收数据的方式来与多个从设备进行通信。SPI是一种同步通信协议，通过时钟信号的同步作用实现数据在多个设备之间的传递。
 

SPI总线协议的通信原理主要是通过全双工模式进行数据传输。这种协议通常包括一个主设备和多个从设备，主设备通过选择不同的从设备以及向其发送数据和接收数据的方式来与多个从设备进行通信。SPI是一种同步通信协议，通过时钟信号的同步作用实现数据在多个设备之间的传递。

具体来说，SPI通信一般由四根线(或者五根线)组成：

1. CLK(Clock)：时钟信号，规定数据的传输时间。

2. MOSI(Master-Out-Slave-In)：主设备发出的数据。

3. MISO(Master-In-Slave-Out)：从设备发出的数据。

4. SS(Slave Select)：从设备的选择信号。因为SPI可以同时控制多个设备，所以可以使用多个SS线来实现多个从设备的选择。

在SPI通信过程中，主设备通过将数据写入MOSI线路来发送数据，同时从设备会通过MISO线路读取数据。主设备可以通过SS线路来选择特定的从设备进行通信，从而实现与多个从设备的交互。此外，主设备和从设备之间的数据传输是同步的，以时钟信号CLK为基准进行传输。SPI主机设备以从机设备支持的频率通过SCLK线给到SPI从机设备，这点也意味着从机是无法主动向主机发送数据的，只能主机轮询向从机发或者从机设备主动通过一个IO口来告知主机数据到达。

在SPI每个时钟周期内，都会进行一次全双工数据的传输。主机通过MOSI线上发送1bit时，从机也会在读取到之后通过MISO线发送1bit数据出去。这说明，即使只进行单工通信，也会保持此通信顺序。

SPI传输通常涉及到两个给定了字长的移位寄存器。例如在主机、从机中的8bit的移位寄存器。它们以虚拟环形拓扑连接，数据通常先从最高有效位被移出。在时钟沿，主机和从机都移出1bit数据从传输线上给到对方。在下一个时钟边沿来到时，双方的接收器再对传输线上的该bit进行采样，并将其设置为移位寄存器的新的最低有效位。在寄存器位被移出和移入后，主机和从机交换了寄存器值。如果需要交换更多数据，则重新加载移位寄存器并重复该过程。传输可以持续任意数量的时钟周期。完成后，主机停止切换时钟信号

以下是STM32的SPI初始化示例，使用HAL库函数实现：

void SPIx_Init(void)

{

SPI_HandleTypeDef hspi;

/* 配置SPI参数 */

hspi.Instance = SPIx;

hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;

hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;

hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;

hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;

hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;

hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;

hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;

hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;

hspi.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;

hspi.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;

hspi.Init.CRCPolynomial = 10;

hspi.Init.CRCLength = SPI_CRC_LENGTH_DATASIZE;

hspi.Init.NSSPMode = SPI_NSS_PULSE_ENABLE;

/* 初始化SPI */

if (HAL_SPI_Init(&hspi) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

}

这个示例中，我们使用HAL库函数来初始化SPI，其中SPIx表示要初始化的SPI的实例。在函数内部，我们首先定义了一个SPI_HandleTypeDef类型的结构体变量hspi，然后配置了SPI的参数。最后，我们调用HAL_SPI_Init函数来初始化SPI。如果初始化失败，则调用Error_Handler函数处理错误。

SPI通信流程可以概括为以下几个步骤：

主设备发起信号，将CS/SS拉低，选择片选，启动通信。

主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作。它将立即读取数据线上的信号，得到一位数据。

主机将要发送的数据写到发送数据缓存区，缓存区经过移位寄存器将字节一位一位的移出去传送给从机。同时，从机接收缓冲区满标志位和中断标志位置“1”。

同时，从移位寄存器中的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。

主CPU检测到主接收缓冲器的满标志位或者中断标志位置1后，就可以读取接收缓冲器中的数据。同样，从CPU检测到从接收缓冲器满标志位或中断标志位置1后，就可以读取接收缓冲器中的数据。

SPI协议的优点主要包括：高速数据传输,SPI协议的数据传输速度比I2C等其他协议更快，因为它没有数据应答信号，从而减少了数据传输延迟。硬件接口简单,SPI协议的硬件接口比较简单，只需要4条线就可以实现全双工通信，不需要额外的收发器或晶振，节省了硬件资源。灵活的数据传输,SPI协议的数据传输可以是8位、16位、32位等任意大小的字，比I2C等协议更灵活。便于扩展,SPI协议支持多个主设备和多个从设备，方便系统扩展。

SPI协议的缺点主要包括：没有硬件应答信号,SPI协议没有硬件应答信号，如果主设备没有收到从设备的应答，就无法知道数据是否已正确传输，这可能导致数据传输的不确定性。占用引脚多,SPI协议需要4根信号线，而I2C协议只需要2根信号线，因此在引脚数量上SPI协议比I2C协议占用更多的引脚。只能支持一个主设备,SPI协议只能支持一个主设备，而I2C协议可以支持多个主设备和多个从设备。传输距离有限,SPI协议的传输距离相对较短，一般在几厘米到几米之间，而I2C协议的传输距离可以达到数十米。