RA芯片的SPI分為簡單SPI和普通SPI，簡單SPI就是SCI模塊（Serial Communications Interface）中的SPI模式，它是使用串行總線來模擬SPI，而我們本章我們所要學習的是普通的SPI，是全功能的SPI，它在RA芯片內部實際存在的一個硬件SPI控制器模塊。

22.1

SPI協議簡介

SPI協議是由摩托羅拉公司提出的通訊協議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在ADC、LCD等設備與MCU間，要求通訊速率較高的場合。

在瑞薩RA6M5芯片中，SPI外設可用作通訊的主機及從機，數據傳輸可達到最大的50Mbps速率，信號允許通過SPI操作（4線方法）或時鐘同步操作（3-線方法），支持事件鏈接功能，并具有數據校驗功能。

下面我們分別對SPI協議的物理層及協議層進行講解。

22.1.1

SPI物理層

SPI通訊設備之間的常用連接方式見下圖。

SPI通訊使用3條總線及片選線，3條總線分別為SCK、MOSI、MISO，片選線，它們的作用介紹如下：

（1）從設備選擇信號線（SlaveSelect）：常稱為片選信號線，也稱為NSS、CS，以下用NSS表示。當有多個SPI從設備與SPI主機相連時，設備的其它信號線SCK、MOSI及MISO同時并聯到相同的SPI總線上，當主機要選擇從設備時，把該從設備的NSS信號線設置為低電平，該從設備即被選中，即片選有效，接著主機開始與被選中的從設備進行SPI通訊。所以SPI通訊以NSS線置低電平為開始信號，以NSS線被拉高作為結束信號。

（2）SCK（Serial Clock）：時鐘信號線，用于通訊數據同步。它由通訊主機產生，決定了通訊的速率，不同的設備支持的最高時鐘頻率不一樣，如RA6M5的SPI時鐘頻率最大為fpclkA/2，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限于低速設備。

（3）MOSI（Master Output，Slave Input）：主設備輸出/從設備輸入引腳。主機的數據從這條信號線輸出，從機由這條信號線讀入主機發送的數據，即這條線上數據的方向為主機到從機。

（4）MISO（Master Input,，Slave Output）：主設備輸入/從設備輸出引腳。主機從這條信線讀入數據，從機的數據由這條信號線輸出到主機，即在這條線上數據的方向為從機到主機。

22.1.2

協議層

22.1.2.1

SPI基本通訊過程

SPI通訊的通訊時序，見下圖：

圖22?18 EEPROM數據讀取時序

這是一個主機的通訊時序。NSS、SCK、MOSI信號都由主機控制產生，而MISO的信號由從機產生，主機通過該信號線讀取從機的數據。MOSI與MISO的信號只在NSS為低電平的時候才有效，在SCK的每個時鐘周期MOSI和MISO傳輸一位數據。

以上通訊流程中包含的各個信號分解如下：

22.1.2.2

通訊的起始和停止信號

在上圖SPI通訊時序中的標號1處，NSS信號線由高變低，是SPI通訊的起始信號。NSS是每個從機各自獨占的信號線，當從機在自己的NSS線檢測到起始信號后，就知道自己被主機選中了，開始準備與主機通訊。在標號6處，NSS信號由低變高，是SPI通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態被取消。

22.1.2.3

數據有效性

SPI使用MOSI及MISO信號線來傳輸數據，使用SCK信號線進行數據同步。MOSI及MISO數據線在SCK的每個時鐘周期傳輸一位數據，且數據輸入輸出是同時進行的。數據傳輸時，MSB先行或LSB先行并沒有作硬性規定，但要保證兩個SPI通訊設備之間使用同樣的協定，一般都會采用圖SPI通訊時序中的MSB先行模式。

觀察圖中的標號處，MOSI及MISO的數據在SCK的上升沿期間變化輸出，在SCK的下降沿時被采樣。即在SCK的下降沿時刻，MOSI及MISO的數據有效，高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。在其它時刻，數據無效，MOSI及MISO為下一次表示數據做準備。

SPI每次數據傳輸可以8位或16位為單位，每次傳輸的單位數不受限制。

22.1.2.4

CPOL/CPHA及通訊模式

SPI一共有四種通訊模式，它們的主要區別是總線空閑時SCK的時鐘狀態以及數據采樣時刻，它們由CPOL與CPHA來決定。

時鐘極性CPOL是指SPI通訊設備處于空閑狀態時，SCK信號線的電平信號（即SPI通訊開始前、NSS線為高電平時SCK的狀態）。CPOL=0時，SCK在空閑狀態時為低電平，CPOL=1時，則相反。

時鐘相位CPHA是指數據的采樣的時刻，當CPHA=0時，MOSI或MISO數據線上的信號將會在SCK時鐘線的“奇數邊沿”被采樣。當CPHA=1時，數據線在SCK的“偶數邊沿”采樣。

見下圖CPHA=0時的SPI通訊模式：

我們來分析這個CPHA=0的時序圖。首先，根據SCK在空閑狀態時的電平，分為兩種情況。SCK信號線在空閑狀態為低電平時，CPOL=0；空閑狀態為高電平時，CPOL=1。

無論CPOL=0還是=1，因為我們配置的時鐘相位CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時刻都是在SCK的奇數邊沿。注意當CPOL=0的時候，時鐘的奇數邊沿是上升沿，而CPOL=1的時候，時鐘的奇數邊沿是下降沿。所以SPI的采樣時刻不是由上升/下降沿決定的。MOSI和MISO數據線的有效信號在SCK的奇數邊沿保持不變，數據信號將在SCK奇數邊沿時被采樣，在非采樣時刻，MOSI和MISO的有效信號才發生切換。

類似地，當CPHA=1時，不受CPOL的影響，數據信號在SCK的偶數邊沿被采樣，見下圖CPHA=1時的SPI通訊模式：

由CPOL及CPHA的不同狀態，SPI分成了四種模式，見下表：

SPI的四種模式

SPI的四種模式

主機與從機需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，上圖SPI通訊時序就是采用的模式1，而我們本次OLED的SPI通訊實驗就是采用的是模式3。