SPI协议

本文详细介绍了SPI(Serial Peripheral Interface)协议的基础知识,包括其工作原理、所需的四条总线(SCK、MOSI、MISO、SS)的功能,以及Clock的极性和相位配置。此外,还提供了一个SPI数据传输的示例代码,并解释了3线SPI和4线SPI的区别。

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参考: https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus

SPI(Serial Peripheral Interface)是一种用于短距离的同步串行通信协议,由Motorola开发。

SPI通常需要4根总线,即SCK、MOSI、MISO、SS。

SCK是时钟信号,由主机输出,MOSI即Master Output Slave Input、MISO即Master Input Slave Output,用于数据的传输,而SS是Slave Select,是设备的片选信号,低有效,也为一个主机接多个从设备成为可能。

Clock的极性和相位。

1. 极性(CPOL)
CPOL=0,表示Clock空闲时电平是低电平,高电平时Clock有效。
CPOL=1,表示Clock空闲时电平是高电平,低电平时Clock有效。

2. 相位(CPHA)
SPI数据采样都是边沿采样,即上升沿或下降沿,所以这里的CPHA表示是第一个边沿采样还是第二个边沿采样。
CPOL=0、CPHA=0表示第一个边沿上升沿采样。
CPOL=0、CPHA=1表示第二个边沿下降沿采样。
CPOL=1、CPHA=0表示第一个边沿下降沿采样。
CPOL=1、CPHA=1表示第二个边沿上升沿采样。

SPI极性、相位时序图如下:


根据极性和相位共有4中组合,也就是SPI的工作模式。
Mode 0 CPOL=0 CPHA=0
Mode 1 CPOL=0 CPHA=1
Mode 2 CPOL=1 CPHA=0
Mode 3 CPOL=1 CPHA=1

例程:
/*
 * Simultaneously transmit and receive a byte on the SPI.
 *
 * Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
 *   - input data is captured on rising edge of SCLK.
 *   - output data is propagated on falling edge of SCLK.
 *
 * Returns the received byte.
 */
uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out)
{
    uint8_t byte_in = 0;
    uint8_t bit;

    for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {
        /* Shift-out a bit to the MOSI line */
        write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);

        /* Delay for at least the peer's setup time */
        delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);

        /* Pull the clock line high */
        write_SCLK(HIGH);

        /* Shift-in a bit from the MISO line */
        if (read_MISO() == HIGH)
            byte_in |= bit;

        /* Delay for at least the peer's hold time */
        delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);

        /* Pull the clock line low */
        write_SCLK(LOW);
    }

    return byte_in;
}


// 2017-09-04 add
通常SPI的接口的屏会说到3线SPI、4线SPI,那么有什么区别呢?

这个要根据IC的数据手册来看了,通常3线SPI包括SCLK、SDIN、CS,如果是4线SPI的话,多一个DC引脚,这个引脚用来控制发送的是数据还是命令。

### SPI协议详解与学习指南 #### 1. SPI协议的基本概念 SPI(Serial Peripheral Interface)是一种**高速、全双工、同步**的串行通信协议,广泛用于嵌入式系统中连接微控制器与外围设备,如传感器、存储器、显示屏等。SPI协议由Motorola(现为NXP半导体)于1980年代推出[^3]。 SPI协议的核心特点包括: - **全双工通信**:允许同时发送和接收数据。 - **同步传输**:依赖于时钟信号(SCK)来同步数据传输。 - **主从架构**:一个主设备可以连接多个从设备,主设备控制通信的时序。 #### 2. SPI协议的通信接口与信号线 SPI协议通常涉及以下四条信号线: - **MOSI**(Master Out Slave In):主设备向从设备发送数据的线路。 - **MISO**(Master In Slave Out):从设备向主设备发送数据的线路。 - **SCK**(Serial Clock):由主设备生成的时钟信号,用于同步数据传输。 - **SS/CS**(Slave Select/Chip Select):用于选择特定的从设备进行通信。 在某些情况下,SPI协议可能简化为三线制(如仅使用MOSI或MISO),但标准SPI协议使用四条信号线[^3]。 #### 3. SPI协议的工作模式 SPI协议支持四种不同的工作模式,主要由**时钟极性(CPOL)**和**时钟相位(CPHA)**决定: - **模式0**:CPOL=0,CPHA=0(时钟空闲时为低电平,数据在上升沿采样) - **模式1**:CPOL=0,CPHA=1(时钟空闲时为低电平,数据在下降沿采样) - **模式2**:CPOL=1,CPHA=0(时钟空闲时为高电平,数据在下降沿采样) - **模式3**:CPOL=1,CPHA=1(时钟空闲时为高电平,数据在上升沿采样) 主设备需要根据从设备的配置选择合适的工作模式。主控的SPI控制器模式可以配置,而从设备的模式通常在出厂时已固定[^2]。 #### 4. SPI协议的优点与缺点 **优点**: - **高速传输**:SPI协议支持较高的数据传输速率,通常可达几十MHz。 - **简单性**:协议结构简单,易于实现。 - **全双工通信**:允许同时发送和接收数据,提高通信效率。 **缺点**: - **缺乏标准协议**:SPI协议没有统一的标准,不同厂商可能有不同的实现方式。 - **硬件开销较大**:每增加一个从设备,都需要额外的片选信号线(SS/CS)。 - **不支持远距离通信**:SPI协议通常适用于短距离通信,不适合长距离传输。 #### 5. SPI协议的应用场景 SPI协议广泛应用于嵌入式系统中,常见的应用场景包括: - **传感器通信**:如温度传感器、加速度计等。 - **存储器访问**:如Flash存储器、EEPROM等。 - **显示屏控制**:如LCD显示屏、OLED显示屏等。 - **音频设备**:如音频编解码器(Codec)等。 #### 6. SPI协议的实现示例 以下是一个简单的SPI通信示例代码,使用Python的`spidev`库实现SPI通信: ```python import spidev # 打开SPI设备 spi = spidev.SpiDev() spi.open(0, 0) # 总线0,设备0 # 设置SPI模式和速度 spi.mode = 0 spi.max_speed_hz = 1000000 # 1 MHz # 发送数据并接收响应 data_to_send = [0x01, 0x80, 0x00] # 示例数据 response = spi.xfer2(data_to_send) # 打印接收到的数据 print("Received data:", response) # 关闭SPI设备 spi.close() ``` 该示例代码展示了如何使用Python的`spidev`库进行SPI通信。通过设置SPI模式和速度,可以与不同的从设备进行通信。 #### 7. SPI协议的扩展形式 除了标准SPI协议外,还存在一些扩展形式,如: - **Dual SPI**:使用两条数据线(MOSI和MISO)同时传输数据,提高传输速度。 - **Queued SPI**:支持队列操作,允许主设备一次性发送多个命令。 这些扩展形式在某些高性能应用中非常有用,尤其是在需要高速数据传输的场景中。 --- ###
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