SPI协议

最新推荐文章于 2025-04-11 14:53:05 发布

熬夜的猪仔

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分类专栏：通信协议文章标签：网络协议

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这篇文章将开始叙述SPI协议，作为一种高速、全双工、同步的串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中的短距离设备间通信，是嵌入式开发过程中不可或缺的通信过程。这里我用一个快递驿站取件的举例来加深理解，如有错误之处，还请批评指正。

一、SPI的简述

SPI协议仅需4根信号线：

SCLK（Serial Clock）：主设备产生的同步时钟信号，控制数据传输速率和时序。
MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备的通道。
MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备的通道。
CS/SS（Chip Select/Slave Select）：主设备通过拉低该线选择特定从设备，允许多从机共存

场景设定
- 快递公司（主设备Master）：负责调度快递员（时钟信号），向不同快递点（从设备Slave）发起取件请求。
- 快递点（从设备Slave）：每个快递点有唯一编号（设备地址），如“快递点1”、“快递点2”。
- 快递员（时钟信号SCLK）：按不同规则在不同时间点检查包裹（数据采样）。
- 取件规则（时钟模式）：由两个参数决定——
  - CPOL（快递员待命位置）：快递员平时在1楼（低电平）或2楼（高电平）。
  - CPHA（包裹检查时机）：快递员到达时立即检查包裹（第一边沿）或离开前检查包裹（第二边沿）。

二、通讯过程

如下图所示，在实际应用中经常是一个主机对应多个从设备的情况，所以在正式通讯前需要找到自己要通讯哪个设备。

第一步：当想选择与哪个从设备进行通信，只需将对应的NSS(片选信号）拉低。其余的NSS（片选信号）拉高。相当于选择快递点

选择快递点（片选信号CS/SS）

动作：快递公司拨打“快递点1”的电话（拉低CS1），其他快递点（CS2、CS3）保持挂断状态。
协议意义：通过片选信号激活目标从设备，避免多设备冲突。

第二步：选择好设备后，接下来就需要进行选择怎么样的时钟信号，即我在取快递任务前的待命地点以及包裹交接后的动作

快递员出发（时钟信号SCLK）

CPOL定义快递员待命位置：
- CPOL=0：快递员平时在1楼待命（时钟空闲为低电平）。
- CPOL=1：快递员平时在2楼待命（时钟空闲为高电平）。

包裹交接（数据采样）

CPHA定义包裹检查时机：
- CPHA=0：快递员到达快递点时（时钟边沿从空闲到活动）立即检查包裹（数据采样）。
- CPHA=1：快递员离开快递点前（时钟边沿从活动到空闲）检查包裹（数据采样）。

根据这样的取件流程排列组合，可以获得四种组成方式即:

4种模式的取件流程对比

模式	CPOL	CPHA	快递员行为	对应SPI时序
模式0	0	0	快递员在1楼待命，到达快递点（上升沿）立即检查包裹。	数据在时钟上升沿采样，下降沿切换。
模式1	0	1	快递员在1楼待命，离开快递点前（下降沿）检查包裹。	数据在时钟下降沿采样，上升沿切换。
模式2	1	0	快递员在2楼待命，到达快递点（下降沿）立即检查包裹。	数据在时钟下降沿采样，上升沿切换。
模式3	1	1	快递员在2楼待命，离开快递点前（上升沿）检查包裹。	数据在时钟上升沿采样，下降沿切换。

第三步：信息交互过程，即MOSI和MISO同时工作，这就是全双工。当主机给从机发消息的时候，主机可以不获取任务的信息。但是主机读取从机信息时，需要发送一段虚拟的信息。发送哑数据（dummy data）如0x00或0xFF。这就是快递员在往快递点送快递的时候我告诉你一声，快递已经放你这了，至于这个快递如何处理，那是你的事情。我已经交给你了。但是我从你快递点拿走快递的时候，必须进行登记，因为快递点必须要确认你是否拿走，是否拿错了，这样能够避免将其他客户的快递错拿。例子举的比较生硬。见谅哈。

三、工作原理

主机和从机有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。串行移位寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换(高位先行)。

假设主机有个数据 10101010 1010101010101010 要发送给从机，同时从机也有个数据 01010101 0101010101010101 要发送到主机，

首先驱动时钟，先产生一个上升沿，这时，所有的位，会往左移动一次，从最高位移出去的数据，就会放到通信线上，数据放到通信线上（实际上是放到了输出数据寄存器），此时 MOSI 数据是 1，所以 MOSI 的电平就是高电平；而 MISO 的数据是 0，所以 MISO 的电平就是低电平，这就是第一个时钟上升沿执行的结果。
然后把主机和从机中移位寄存器的最高位分别放到 MOSI 和 MISO 的通信线上，这就是数据的输出。
之后时钟继续运行，上升沿之后，下一个边沿就是下降沿，在下降沿时主机和从机内，都会进行数据采样输入，也就是，MOSI 的 1，会采样输入到从机这里的最低位；MISO 的 0，会采样输入到主机这里的最低位，这就是第一个时钟结束后的现象。
时钟继续运行，下一个上升沿，同样操作，移位输出，主机现在的最高位，也就是原始数据的最高位，输出到 MOSI，从机现在的最高位，输出到 MISO，变成主机的最低位…
八个时钟后，原来主机的 10101010，跑到从机里，而原来从机的 01010101跑到主机里了。

完整通信示例（以模式0为例）

选择快递点：快递公司呼叫“快递点1”（拉低CS1）。
快递员待命：快递员在1楼待命（CPOL=0）。
发起取件：
- 快递员前往快递点（时钟从低→高，上升沿）。
- 立即检查包裹（CPHA=0）：读取包裹信息（MISO线数据）或放置新包裹（MOSI线数据）。
完成取件：快递员离开（时钟从高→低，下降沿），包裹切换为下一批数据。
结束通信：快递公司挂断电话（拉高CS1）