SPI通信协议

一.   SPI协议简介

SPI（全称是 Serial Perripheral Interface），也就是串行外围设备接口。是一种高速、全双工的同步通信总线。

SPI 是很常用的通信接口，也可以通过 SPI 来连接众多的传感器。

SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备， SPI通信一般 需要 4 类线（一个从设备时为 4 根线；如果两个从设备，则需要 5根线：SCL时钟线，MOSI，MISO，两个片选信号（不包括接地GND线））。

SPI传输速度：SPI 接口的通信速度很快，I2C 最多 400KHz，但是 SPI 可以到达几十 MHz。

二.  SPI 协议

1.  SPI的硬件通信线

本章我们讲解标准的 4 线 SPI。

SPI通信的四根线如下：

(1)  SCK，Serial Clock，串行时钟，为 SPI 通信提供时钟。

(2) CS/SS（Slave Select/Chip Select），为片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。

硬件片选时，完全由SPI控制器的硬件自动拉低或拉高CS片选信号；

软件片选时，则需要软件实现CS片选的拉低或拉高操作，即使用通过GPIO来模拟CS片选功能；

(3)  MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，简称主出从入信号线，这根数据线只能用于主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入。

(4)  MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，简称主入从出信号线，这根数据线只能用户从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出。

SPI 通信都是由主机发起的，主机需要提供通信的时钟信号。主机通过 SPI 线连接多个从设备的结构，如下图所示：

2.  SPI协议

注意：SPI通信协议的全双工，同步通信的理解：

SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。

如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节（例如，发送0x00或者 0xFF）来引发从机的传输。

换句话理解就是，主机向从机发一个字节的数据必然会收到一个字节的数据；你要收一个字节的数据，必须也要先发一个字节的数据。 
如果读从设备数据时，主机不发送一些数据，则主机接收不到数据（可能接收到的数据是 一些 0，也就是空数据）。

SPI 四种工作模式

SPI 有四种工作模式，通过串行时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式，规则如下：

时钟极性(CPOL)定义 SCK 在空闲状态（未传输数据时） 的电平：

(1)  CPOL=0：串行时钟空闲状态为低电平。

(2) CPOL=1：串行时钟空闲状态为高电平。

时钟相位(CPHA)定义数据在 SCK 的哪个边沿（上升沿 / 下降沿）被采样或发送：

(3) CPHA=0：数据在 SCK 的第一个边沿（CPOL=0 时为上升沿，CPOL=1 时为下降沿）被采样；

(4) CPHA=1：数据在 SCK 的第二个边沿（CPOL=0 时为下降沿，CPOL=1 时为上升沿）被采样。

通过以上两两组合即可以组成四种工作模式。四种工作模式如下：

SPI 通信时序

跟 I2C 一样，SPI 也是有时序图的，以 CPOL=0，CPHA=0 这个工作模式为例，SPI 进行全双工通信时序图，如下所示：

从上面的时序图可以看出，SPI 的时序图很简单，不像 I2C 那样还要分为读时序和写时序，因为 SPI 是全双工的，所以读写时序可以一起完成。

CS 片选信号先拉低，选中要通信的从设备，然后，通过 MOSI 和 MISO 这两根数据线进行收发数据。MOSI 数据线发出了 0XD2 这个数据给从设备，同时从设备也通过 MISO 线给主设备返回了 0X66 这个数据。

其他三种工作模式的时序图不做具体的介绍了，与上述的类似。SPI协议简单介绍完成。