本文深入解析SPI接口，从串口通信基础出发，详细阐述SPI的时序、模式以及各种协议变体，包括三线SPI、DualSPI和QuadSPI，探讨其在实践中的应用和优势。
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前言
SPI协议我磕了一周，反反复复找了很多资料看QAQ，还是感觉没吃得很透，只是理论上熟悉了，还没有在实践中证实过。
一、SPI Interface
相比于直接学习SPI协议，我想以更有逻辑性的方式展开SPI。Maybe have a additional feel~
（一）串口通信
如果两个设备需要传递数据信息，最先想到的可能是用一根线，在这根线上等频率的传输"0"和"1"。但传输线会有个空闲电平，另一边设备并不知道从何处算开始，所以还需要引入起始位和结束位。就如下图所示：
等等，这里还有问题！
我作为接收方，我怎么知道多长的时间间隔算1个bit呢？
对于这个问题，走出了两个方向：UART与SPI。
UART要求通信双方提前约定好传输速率（波特率），这样就可以正常的收发数据咯。
而SPI则增加了一条数据线，用来传输同步时钟信号，这样双方依靠同一个时钟信号，就能知道在何时进行数据输出与采样，然后发送和接受分别采用一条数据线。如下图所示：
需要注意，时钟信号只需要一方发出即可，因此SPI规定发送时钟信号的一方为主设备（Master），另一方为从设备（Slave）。当从设备的数量增加后，就需要引入片选信号，用以确定需要通信的是哪个从设备。
（二）SPI Interface
SPI的信号接口：
- CS：从设备的片选信号（Chip Select）。
- SCLK：时钟信号。只由Master发出。
- MOSI：Master的数据输出口（Master Output Slave Input）。
- MISO：Master的数据输入口（Master Input Slave Output）。
不同厂商对端口的命名并不统一，因此需要在功能上理解它。
1.一主一从
2.一主多从
3.菊花链
二、SPI通信时序及简易模型
（一）SPI传输时序
在讲通信时序之前，得先说清两个概念。时钟极性(CPOL)与时钟相位(CPHA)。
- 时钟极性（Clock Polarity）：定义时钟信号空闲值。"1"表示空闲时时钟信号为高电平，"0"表示空闲时时钟信号为低电平。
- 时钟相位（Clock Phase）：定义通信设备在第一个沿/第二个沿进行数据采样。"1"表示设备在时钟第二个边沿进行采样，"0"表示设备在时钟第一个边沿进行采样。
这样组合出来四种情况，分别称为(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)模式。还要多嘴一句，一般SPI都是一个沿采样，一个沿输出数据（大多数情况如此，但也有看到厂商在一个边沿同时完成采样和输出）。
- (0,0)表示时钟平时为低电平，设备在第一个时钟沿采样。意味着设备在时钟的上升沿采样，因此如下图可看到时钟上升沿正好落在最佳采样点上。
- (0,1)表示时钟平时为低电平，设备在第二个时钟沿采样。意味着设备在时钟的下降沿采样，因此如下图可看到时钟下降沿正好落在最佳采样点上。
- (1,0)表示时钟平时为高电平，设备在第一个时钟沿采样。意味着设备在时钟的下降沿采样，因此如下图可看到时钟下降沿正好落在最佳采样点上。
- (1,1)表示时钟平时为高电平，设备在第二个时钟沿采样。意味着设备在时钟的上升沿采样，因此如下图可看到时钟上升沿正好落在最佳采样点上。
一般来说(0,0)与(1,1)用的最多，或许是这种记号大家都能够分辨出是哪种模式，不至于出错。对于下图中，还暗含了一些时序关系。
时钟与数据的时序要求：对于需要在第一个时钟沿采样的情况，D7（第一位有效位）需要提早半个周期输出。
时钟与片选信号的时序要求：片选信号需要提前时钟信号至少半个周期，这样保证在不同频率下都能够正常通信。
从上图能看到，SPI一般以MSB（最高有效位）进行传输。
（二）简易模型
与其说是数据传输，SPI协议通信更像是数据交换。因为设备在发送数据的同时，也在接收数据，所以可视作两个移位寄存器之间的数据交换。
三、协议变体
然而，在实际应用中，很少出现同时发送和接受的情况，一般都是Master先发送命令或是地址，然后Slave发送数据。下图是SPI读写Flash存储器的时序。具体图中如Instruction等，就是操作Flash存储器所需要的形式。简单来说，实现对Flash存储器的通信，需要发送指令码、地址码、模式码、Dummy周期、数据码五个阶段，Flash厂商的芯片手册中有指令集描述每条指令所需要的通信格式。
因此对于SPI协议，出现了许多适应性的变体。
（一）三线SPI
三线SPI仅有CS、SCLK以及IO口三条线，也就是将MOSI和MISO两线并成一条半双工数据线，所以三线SPI也可称为半双工SPI协议。其Interface如下：
这样少了一条线，也有利于PCB设计。通信时序的话与标准SPI相同，只是发送与接收分时复用一根线。
（二）Dual SPI
后来大家嫌带宽还是小啦，但是时钟频率又不能无限提升，所以就额外增加线路传输数据，如果多一根线的话，每次就能传2个bit的数据。所以Dual SPI就是将SPI的MOSI和MISO都改成双向IO口。
上面这个图就是采用Dual SPi进行Flash读写操作的例子。每次传输2bit，仅用4个周期就能传完一个字节。
（三）Quad SPI
在Dual SPI基础上，再增加两个IO口，就能实现每次4bit数据的传输。
（四）SDR与DDR模式
上面给出的时序都是SDR模式（Single Data Rate），每个时钟周期只有1bit的数据。在此基础上，如果每个时钟沿都进行数据输出，就能在一个时钟周期内实现2bit数据的传输，也就称之为DDR（Double Data Rate）。
结束语：目前理解就认为Quad SPI等只是在SPi基础上增加位宽而已，所以也还有一种八倍SPI （Octol SPI）。但这些变体已经不能称之为串口通信了hhhhhhhhhh。
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