SPI，是英語(yǔ)Serial Peripheral Interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，主要是在sck的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。

上升沿到來的時(shí)候，sdo上的電平將被發(fā)送到從設(shè)備的寄存器中。

下降沿到來的時(shí)候，sdi上的電平將被接收到主設(shè)備的寄存器中。

假設(shè)主機(jī)和從機(jī)初始化就緒：并且主機(jī)的sbuff=0xaa （10101010），從機(jī)的sbuff=0x55 （01010101），下面將分步對(duì)spi的8個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍（假設(shè)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)）。

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脈沖 主機(jī)sbuff 從機(jī)sbuff sdi sdo

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0 00-0 10101010 01010101 0 0

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1 0--1 0101010x 10101011 0 1

1 1--0 01010100 10101011 0 1

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2 0--1 1010100x 01010110 1 0

2 1--0 10101001 01010110 1 0

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3 0--1 0101001x 10101101 0 1

3 1--0 01010010 10101101 0 1

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4 0--1 1010010x 01011010 1 0

4 1--0 10100101 01011010 1 0

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5 0--1 0100101x 10110101 0 1

5 1--0 01001010 10110101 0 1

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6 0--1 1001010x 01101010 1 0

6 1--0 10010101 01101010 1 0

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7 0--1 0010101x 11010101 0 1

7 1--0 00101010 11010101 0 1

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8 0--1 0101010x 10101010 1 0

8 1--0 01010101 10101010 1 0

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這樣就完成了兩個(gè)寄存器8位的交換，上面的0--1表示上升沿、1--0表示下降沿，sdi、 sdo相對(duì)于主機(jī)而言的。根據(jù)以上分析，一個(gè)完整的傳送周期是16位，即兩個(gè)字節(jié)，因?yàn)椋紫戎鳈C(jī)要發(fā)送命令過去，然后從機(jī)根據(jù)主機(jī)的名準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，主機(jī)在下一個(gè)8位時(shí)鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來。

SPI總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進(jìn)行通信：一條時(shí)鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO;用于 CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。

SPI主要特點(diǎn)有：可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù);可以當(dāng)作主機(jī)或從機(jī)工作;提供頻率可編程時(shí)鐘;發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志;寫沖突保護(hù);總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)等。

SPI總線有四種工作方式（SP0， SP1， SP2， SP3），其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式。

SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對(duì)傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果 CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。 SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。

SPI時(shí)序圖詳解-SPI接口在模式0下輸出第一位數(shù)據(jù)的時(shí)刻

SPI接口在模式0下輸出第一位數(shù)據(jù)的時(shí)刻

SPI接口有四種不同的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，取決于CPOL和CPHL這兩位的組合。圖1中表現(xiàn)了這四種時(shí)序，

時(shí)序與CPOL、CPHL的關(guān)系也可以從圖中看出。

圖1

CPOL是用來決定SCK時(shí)鐘信號(hào)空閑時(shí)的電平，CPOL＝0，空閑電平為低電平，CPOL＝1時(shí)，

空閑電平為高電平。CPHA是用來決定采樣時(shí)刻的，CPHA=0，在每個(gè)周期的第一個(gè)時(shí)鐘沿采樣，

CPHA＝1，在每個(gè)周期的第二個(gè)時(shí)鐘沿采樣。

由于我使用的器件工作在模式0這種時(shí)序（CPOL＝0，CPHA＝0），所以將圖1簡(jiǎn)化為圖2，

只關(guān)注模式0的時(shí)序。

圖2

我們來關(guān)注SCK的第一個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的前沿采樣數(shù)據(jù)（上升沿，第一個(gè)時(shí)鐘沿），

在時(shí)鐘的后沿輸出數(shù)據(jù)（下降沿，第二個(gè)時(shí)鐘沿）。首先來看主器件，主器件的輸出口（MOSI）輸出的數(shù)據(jù)bit1，

在時(shí)鐘的前沿被從器件采樣，那主器件是在何時(shí)刻輸出bit1的呢？bit1的輸出時(shí)刻實(shí)際上在SCK信號(hào)有效以前，

比 SCK的上升沿還要早半個(gè)時(shí)鐘周期。bit1的輸出時(shí)刻與SSEL信號(hào)沒有關(guān)系。再來看從器件，

主器件的輸入口MISO同樣是在時(shí)鐘的前沿采樣從器件輸出的bit1的，那從器件又是在何時(shí)刻輸出bit1的呢。

從器件是在SSEL信號(hào)有效后，立即輸出bit1，盡管此時(shí)SCK信號(hào)還沒有起效。關(guān)于上面的主器件

和從器件輸出bit1位的時(shí)刻，可以從圖3、4中得到驗(yàn)證。

圖3

注意圖3中，CS信號(hào)有效后（低電平有效，注意CS下降沿后發(fā)生的情況），故意用延時(shí)程序

延時(shí)了一段時(shí)間，之后再向數(shù)據(jù)寄存器寫入了要發(fā)送的數(shù)據(jù)，來觀察主器件輸出bit1的情況（MOSI）。

可以看出，bit1（值為1）是在SCK信號(hào)有效之前的半個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)刻開始輸出的（與CS信號(hào)無關(guān)），

到了SCK的第一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿正好被從器件采樣。

圖4

圖4中，注意看CS和MISO信號(hào)。我們可以看出，CS信號(hào)有效后，從器件立刻輸出了bit1（值為1）。

通常我們進(jìn)行的spi操作都是16位的。圖5記錄了第一個(gè)字節(jié)和第二個(gè)字節(jié)間的相互銜接的過程。

第一個(gè)字節(jié)的最后一位在SCK的上升沿被采樣，隨后的SCK下降沿，從器件就輸出了第二個(gè)字節(jié)的第一位。

SPI總線協(xié)議介紹（接口定義，傳輸時(shí)序）

一、技術(shù)性能

SPI接口是Motorola 首先提出的全雙工三線同步串行外圍接口，采用主從模式（Master Slave）架構(gòu)；支持多slave模式應(yīng)用，一般僅支持單Master。

時(shí)鐘由Master控制，在時(shí)鐘移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根單向數(shù)據(jù)線，為全雙工通信，目前應(yīng)用中的數(shù)據(jù)速率可達(dá)幾Mbps的水平。

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二、接口定義

SPI接口共有4根信號(hào)線，分別是：設(shè)備選擇線、時(shí)鐘線、串行輸出數(shù)據(jù)線、串行輸入數(shù)據(jù)線。

（1）MOSI：主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入

（2）MISO：主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出

（3）SCLK ：時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生

（4）/SS：從器件使能信號(hào)，由主器件控制

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三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

四、傳輸時(shí)序

SPI接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。如下圖所示，在SCLK的下降沿上數(shù)據(jù)改變，上升沿一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。

SPI接口沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。