协议基础——SPI

目录

一主多从通信思路

SPI协议

SPI引脚及连接

SPI时钟信号的极性和相位

SPI传输方式

SPI时序图

SPI通信举例

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SPI，英文全称Serial Peripheral Interface。

Serial是串行的

Peripheral是外设

Interface是接口

连在一起，中文名就是串行外设接口。

SPI协议是一种串行全双工同步通信协议。

不理解串行、全双工、同步概念的话，可以看下协议基础——UART中的背景知识。

UART协议 是串行全双工异步通信协议

SPI协议     是串行全双工同步通信协议

由于SPI是同步通信，要带有时钟同步信号传输，

所以SPI引脚除了发送、接收引脚之外，应该还有时钟引脚，

另外当初摩托罗拉（Motrorola）开发出SPI的目的是为了支持一个主设备与多个从设备之间的通信

不像UART是一对一的通信，这时候我们就会冒出一个疑问？主设备怎么知道跟哪个从设备通信呢？

一主多从通信思路

我们大概有两个思路：

（1）如果不能增加引脚

我们想到的就只能是给子设备做标签，以互相区分，比如我们规定主设备左边第一个子设备的标签是A，把A保存在子设备中，第二个子设备标签是B，同样把B保存，依次类推，这样每个子设备就因为标签不同而可以区分了。

这时候，假如我们要主设备和子设备A通信，主设备通过发送引脚Tx发送A给所有相连的子设备，子设备跟自己内部的标签进行比较，如果相同，就给主设备回个yes，不同，就装死。

这时候明显的只有A会回答yes，如果主设备发的是B，那就只有B回yes，从而实现了一对多通信。

（2）如果可以增加引脚

这个就爽歪歪啦，假设我们引脚资源无限，首先主设备看下有多少个子设备，就增加多少个子设备选中引脚，有A、B、C三个子设备，就增加3个“子设备选择引脚”，如AS、BS、CS，

主设备有子设备选中引脚了，但子设备还没有“被选中引脚”用来连线，所以给每个子设备添加一个接收引脚如RM，用于接收主设备通过“子设备选择引脚”发过来的选择信号。

这样，规定RM接收引脚收到高电平信号即1，就是被选中，那就能够通过AS、BS、CS三个引脚发送不同的信号来选中与哪个子设备通信，每次只能选中1个。

如果多个引脚同时发1，多个从设备一起向主设备发数据，会出现数据冲突，主设备直接懵逼，分不清哪个数据是哪个子设备发的。

比如主设备的AS、BS、CS的引脚电发出1、0、0的信号，子设备A收到使能通信信号1，子设备A开始向主设备发送数据，其它子设备未收到使能通信信号，继续等待，

若将主设备的AS、BS、CS的引脚发出0、1、0的信号，子设备B收到使能通信信号1，子设备B开始向主设备发送数据，其它子设备未收到使能通信信号，继续等待，这样就实现了一主多从通信。

好，思路讲完了，我们接下来进入正题，来看看SPI是怎么实现的吧

SPI协议

SPI引脚及连接

MISO（Master In Slave Out）主机输入从机输出，以主机为中心，类似于UART中的Rx引脚

MOSI（Master Out Slave In）主机输出从机输入，以主机为中心，类似于UART中的Tx引脚

SCK（Serial Clock）串行时钟，用于同步，两个设备通信时，通信速度受限于低速设备

SS/CS（Slave Select/Chip Select）从机选择/芯片选择，简称片选，既然是选择，那说明是支持1对多的，1个从机至少需要1个CS，n个从机至少需要n个CS引脚，

SPI要进行通信，有发就有收，所以除了主机外，SPI应该至少还有1个从机，SPI至少需要4根线。

CS使能信号根据从机决定，一般是低电平有效，可以有多个从机，从下图接线可以看出，在通信的过程中，总线上只能是一个主机和一个从机进行通信，所以要使用CS引脚使能来选中要通信的主机。

也就是说SPI通信协议是单主设备通信协议。

主机有SPI时钟发生器，控制着整个串行时钟信号，完成整个发送的控制作用

主机SS片选引脚默认接高电平，表示作为主机。

从机SS片选引脚接主机GPIO口，主机通过GPIO口的高低电平变化对从机进行片选，低电平有效。

当主机GPIO1引脚为低电平，其它GPIO2~GPIOn引脚为高电平时，

左边第一个从机的SS引脚电平为低电平，表示被选中，主机与左边第一个从机通信，其它从机SS引脚高电平待机。

SPI时钟信号的极性和相位

SPI接口可由CPOL和CPHA设定4种不同传输格式的时序。

CPOL英文全称Clock Polarity，时钟极性，CPOL决定时钟脉冲SCK的有效脉冲方式（正、负），可设置0（看红色箭头）或1（看绿色箭头），如下图

0表示SCK的正脉冲有效，上升沿触发（由低电平0转为高电平1），空闲时是低电平0

1表示SCK的负脉冲有效，下降沿触发（由高电平1转为低电平0），空闲时是高电平1

CPHA英文名称Clock Phase，时钟相位，CPHA决定数据线MOSI什么时候输出数据或采集数据。

可设置0（看红色箭头）或1（看绿色箭头），如下图

0表示在SCK未触发之前，第一位数据Bit0开始传输，数据输出超前触发，第1个边沿采样

1表示在SCK触发的时候，第一位数据Bit0开始传输，数据输出触发同步，第2个边沿采样

触发：启动数据传输

采样：进行读取数据

根据CPOL和CPHA的组合数目，一共有2x2=4种设置情况。

CPOL/CPHA的设定	第一位数据Bit0的输出	其它位的输出	数据采样
CPOL=0，CPHA=0	在第一个SCK上升沿前	SCK下降沿	SCK上升沿
CPOL=0，CPHA=1	第一个SCK上升沿	SCK上升沿	SCK下降沿
CPOL=1，CPHA=0	在第一个SCK下降沿前	SCK上升沿	SCK下降沿
CPOL=1，CPHA=1	第一个SCK下降沿	SCK下降沿	SCK上升沿

如何快速判断CPOL和CPHA，其实上边已经给出：

CPOL=空闲时的电平

CPHA=n/2取整（n=1或2，表示第n个边沿采样）

了解清楚了CPOL时钟极性和CPHA时钟相位，接下来就可以看时序图啦。

SPI传输方式

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1bit数据，且数据的输入输出是同时的（全双工）

数据传输时，MSB（Most Significant Bit，最高有效位）高位先行 或 LSB（Least Significant Bit）并没有做硬性规定，可以程序设定，但是要保证两个SPI通信设备之间使用同样的协定，一般都会采用MSB高位先行模式。

SPI时序图

给我们一个时序图，

（1）先看NSS片选信号的变化

左边①处，NSS片选信号拉低，表示该从设备被主机选中，开始准备与主机开始通信，是SPI通信的起始信号。

右边⑥处，NSS片选信号拉高，表示该从设备与主机通讯结束，从机的选中状态被取消，是SPI通信的停止信号。

（2）接下来看SCK时钟信号的变化

从最左边看，我们发现SCK空闲时是低电平，根据上边时钟极性CPOL的特点，可知CPOL=0。

（3）然后我们看数据线MOSI、MISO信号的变化，联系上SCK时钟同步信号一起看

从最左边看，第一次数据输出是在SCK上升沿的时候，采样是在SCK第2个边沿，由上边时钟相位CPHA的特点，可知CPHA=2/2=1。

采样时数据线发送1就是1，发送0就是0。

SPI通信举例

nCS片选信号拉低，表示从设备被主机选中，开始准备和主机通信，是SPI通信的起始信号。

接着我们看CLK时钟信号变化，CLK信号空闲时默认低电平，由时钟极性CPOL特性知：CPOL=0

CPOL=0，表示CLK正脉冲触发（即上升沿触发），数据开始传输，

接着看

MOSI和MISO数据线信号的第一个bit数据输出在触发之前，由时钟相位CPHA特性知：CPHA=0

CPHA=0，由CPHA=n/2取整（n表示在第n个边沿采样）知，n=1，即在CLK的上升沿采样

即黄色虚线处触发并采样，高电平表示1，低电平表示0

由上可知，

MOSI传输的数据是1→0→1→0→0→1→0→1

MISO传输的数据是1→0→1→1→1→0→1→0