單片機系統中最常用的三種通信協議解析

UART、I2C和SPI是單片機系統中最常用的三種通信協議。

SPI 是英語 Serial Peripheral Interface 的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。SPI是一種高速的、全雙工、同步通信總線，標準的 SPI 也僅僅使用4個引腳，常用于單片機和 EEPROM、FLASH、實時時鐘、數字信號處理器等器件的通信。SPI 通信原理比 I2C 要簡單，它主要是主從方式通信，這種模式通常只有一個主機和一個或者多個從機，標準的 SPI 是4根線，分別是 SSEL（片選，也寫作 SCS）、SCLK（時鐘，也寫作 SCK）、MOSI（主機輸出從機輸入 Master Output/Slave Input）和 MISO（主機輸入從機輸出 Master Input/Slave Output）。

SSEL：從設備片選使能信號。如果從設備是低電平使能的話，當拉低這個引腳后，從設備就會被選中，主機和這個被選中的從機進行通信。

SCLK：時鐘信號，由主機產生，和 I2C 通信的 SCL 有點類似。

MOSI：主機給從機發送指令或者數據的通道。

MISO：主機讀取從機的狀態或者數據的通道。

在某些情況下，我們也可以用3根線的 SPI 或者2根線的 SPI 進行通信。比如主機只給從機發送命令，從機不需要回復數據的時候，那么 MISO 就可以不要；而在主機只讀取從機的數據，不需要給從機發送指令的時候，那 MOSI 就可以不要；當一個主機一個從機的時候，從機的片選有時可以固定為有效電平而一直處于使能狀態，那么 SSEL 就可以不要；此時如果再加上主機只給從機發送數據，那么 SSEL 和 MISO 都可以不要；如果主機只讀取從機送來的數據，SSEL 和 MOSI 都可以不要。

3線和2線的 SPI 大家要知道怎么回事，實際使用也是有應用的，但是當我們提及 SPI 的時候，一般都是指標準 SPI，都是指4根線的這種形式。

SPI 通信的主機也是我們的單片機，在讀寫數據時序的過程中，有四種模式，要了解這四種模式，首先我們得學習以下兩個名詞。

CPOL：Clock Polarity，就是時鐘的極性。時鐘的極性是什么概念呢？通信的整個過程分為空閑時刻和通信時刻，如果 SCLK 在數據發送之前和之后的空閑狀態是高電平，那么就是 CPOL=1，如果空閑狀態 SCLK 是低電平，那么就是 CPOL=0。

CPHA：Clock Phase，就是時鐘的相位。

主機和從機要交換數據，就牽涉到一個問題，即主機在什么時刻輸出數據到 MOSI 上而從機在什么時刻采樣這個數據，或者從機在什么時刻輸出數據到 MISO 上而主機什么時刻采樣這個數據。同步通信的一個特點就是所有數據的變化和采樣都是伴隨著時鐘沿進行的，也就是說數據總是在時鐘的邊沿附近變化或被采樣。而一個時鐘周期必定包含了一個上升沿和一個下降沿，這是周期的定義所決定的，只是這兩個沿的先后并無規定。又因為數據從產生的時刻到它的穩定是需要一定時間的，那么，如果主機在上升沿輸出數據到 MOSI 上，從機就只能在下降沿去采樣這個數據了。反之如果一方在下降沿輸出數據，那么另一方就必須在上升沿采樣這個數據。

CPHA=1，就表示數據的輸出是在一個時鐘周期的第一個沿上，至于這個沿是上升沿還是下降沿，這要視 CPOL 的值而定，CPOL=1 那就是下降沿，反之就是上升沿。那么數據的采樣自然就是在第二個沿上了。

CPHA=0，就表示數據的采樣是在一個時鐘周期的第一個沿上，同樣它是什么沿由 CPOL 決定。那么數據的輸出自然就在第二個沿上了。仔細想一下，這里會有一個問題：就是當一幀數據開始傳輸第一個 bit 時，在第一個時鐘沿上就采樣該數據了，那么它是在什么時候輸出來的呢？有兩種情況：一是 SSEL 使能的邊沿，二是上一幀數據的最后一個時鐘沿，有時兩種情況還會同時生效。

我們以 CPOL=1/CPHA=1 為例，把時序圖畫出來給大家看一下，如圖15-1所示。

單片機系統中最常用的三種通信協議解析

圖15-1 SPI 通信時序圖（一）

大家看圖15-1所示，當數據未發送時以及發送完畢后，SCK 都是高電平，因此 CPOL=1。可以看出，在 SCK 第一個沿的時候，MOSI 和 MISO 會發生變化，同時 SCK 第二個沿的時候，數據是穩定的，此刻采樣數據是合適的，也就是上升沿即一個時鐘周期的后沿鎖存讀取數據，即 CPHA=1。注意最后最隱蔽的 SSEL 片選，這個引腳通常用來決定是哪個從機和主機進行通信。剩余的三種模式，我們把圖畫出來，簡化起見把 MOSI 和 MISO 合在一起了，大家仔細對照看看研究一下，把所有的理論過程都弄清楚，有利于你對 SPI 通信的深刻理解，如圖15-2所示。

單片機系統中最常用的三種通信協議解析