串行外設接口（SPI）總線是一個工作在全雙工模式下的同步串行數據鏈路。它可用于在單個主控制器和一個或多個從設備之間交換數據。其簡單的實施方案只使用四條支持數據與控制的信號線（圖1）：

雖然表1中的引腳名稱來自摩托羅拉開發的SPI標準，但具體集成電路的SPI端口名稱往往與圖1中所示的不同。

圖1：基本SPI總線

表1：SPI引腳名稱分配

SPI數據速率一般在1到70MHz的范圍內，字長為從8位及12位到這兩個值的倍數。

數據傳輸一般由數據交換構成。在主控制器向從設備發送數據時，從設備也向主控制器發送數據。因此主控制器的內部移位寄存器和從設備都采用環形設置（圖2）。

圖2：雙移位寄存器形成一個芯片間的環形緩存器

在數據交換之前，主控制器和從設備會將存儲器數據加載至它們的內部移位寄存器。收到時鐘信號后，主控制器先通過MOSI線路時鐘輸出其移位寄存器的MSB.同時從設備會讀取位于SIMO的主控器第一位元，將其存儲在存儲器中，然后通過SOMI時鐘輸出其MSB.主控制器可讀取位于MISO的從設備第一位元，并將其存儲在存儲器中，以便后續處理。整個過程將一直持續到所有位元完成交換，而主控器則可讓時鐘空閑并通過/SS禁用從設備。

除設置時鐘頻率外，主控制器還可根據數據配置時鐘極性和相位。這兩個分別稱為CPOL與CPHA的選項可實現時鐘信號180度的相移以及半個時鐘周期的數據延遲。圖3是相應的定時圖。

圖3：時鐘極性與相位的定時圖

CPOL = 0時，時鐘空閑在邏輯0位置上：

如果CPHA = 0，數據在SCK的上升沿讀取，在下降沿變化。

如果CPHA = 1，數據在SCK的下降沿讀取，在上升沿變化。

CPOL = 1時，時鐘在邏輯為高時空閑：

如果CPHA = 0，數據在SCK的下降沿讀取，在上升沿變化。

如果CPHA = 1，數據在SCK的上升沿讀取，在下降沿變化。

在SPI中，主控制器可與單個或多個從設備通信。如果是一個單從設備，從設備選擇信號可連接至從設備的本地接地電位，實現永久接入。對使用多個從設備的應用，可使用兩種配置：獨立從設備與菊花鏈從設備（圖4）。

圖4：主控制器與獨立從設備（左）及菊花鏈從設備通信（右）

要與從設備單獨通信，主控制器必須提供多重從設備選擇信號。該配置通常用于必須單獨訪問多個模數轉換器（ADC）及數模轉換器（DAC）的數據采集系統中。

菊花鏈從設備只需要主控制器提供一個從設備選擇信號，因為這種配置要求所有從設備同時啟用，以確保數據不間斷地流經該鏈路中的所有移位寄存器。典型應用是工業I/O模塊中的級聯多通道輸入串行器與輸出驅動器。