簡(jiǎn)介

SPI通信原理比I2C要簡(jiǎn)單，它主要是主從方式通信。這種模式通常只有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或者多個(gè)從機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)的SPI是4根線，分別是SSEL(片選，也寫(xiě)作 SCS)、SCLK(時(shí)鐘，也寫(xiě)作SCK)、MOSI(主機(jī)輸出從機(jī)輸入Master Output/Slave Input)和MISO(主機(jī)輸入從機(jī)輸出Master Input/Slave Output)。

單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的通信協(xié)議有三種，分別是UART、I2C和SPI。

SPI是英語(yǔ)Serial Peripheral Interface的縮寫(xiě)，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、同步通信總線，標(biāo)準(zhǔn)的SPI也僅僅使用4個(gè)引腳，常用于單片機(jī)和 EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字信號(hào)處理器等器件的通信。

SPI的通信原理

SPI通信原理比I2C要簡(jiǎn)單，它主要是主從方式通信。這種模式通常只有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或者多個(gè)從機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)的SPI是4根線，分別是SSEL(片選，也寫(xiě)作 SCS)、SCLK(時(shí)鐘，也寫(xiě)作SCK)、MOSI(主機(jī)輸出從機(jī)輸入Master Output/Slave Input)和MISO(主機(jī)輸入從機(jī)輸出Master Input/Slave Output)。

SSEL：從設(shè)備片選使能信號(hào)。如果從設(shè)備是低電平使能的話，當(dāng)拉低這個(gè)引腳后，從設(shè)備就會(huì)被選中，主機(jī)和這個(gè)被選中的從機(jī)進(jìn)行通信。

SCLK：時(shí)鐘信號(hào)，由主機(jī)產(chǎn)生，和I2C通信的SCL有點(diǎn)類(lèi)似。

MOSI：主機(jī)給從機(jī)發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)的通道。

MISO：主機(jī)讀取從機(jī)的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)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(jìn)行通信。比如主機(jī)只給從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)不需要回復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)候，那么MISO就可以不要；而在主機(jī)只讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)，不需要給從機(jī)發(fā)送指令的時(shí)候，那MOSI就可以不要。

當(dāng)一個(gè)主機(jī)一個(gè)從機(jī)的時(shí)候，從機(jī)的片選有時(shí)可以固定為有效電平而一直處于使能狀態(tài)，那么SSEL就可以不要；此時(shí)如果再加上主機(jī)只給從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么SSEL和MISO都可以不要；如果主機(jī)只讀取從機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)，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(shí)際使用也是有應(yīng)用的，但是當(dāng)我們提及SPI的時(shí)候，一般都是指標(biāo)準(zhǔn)SPI，都是指4根線的這種形式。

SPI的四種工作模式

SPI通信的主機(jī)就是我們的單片機(jī)，在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序的過(guò)程中，有四種模式。要了解這四種模式，首先我們得學(xué)習(xí)兩個(gè)名詞。

CPOL

CPOL即Clock Polarity，就是時(shí)鐘的極性。

時(shí)鐘的極性是什么概念呢？

通信的整個(gè)過(guò)程分為空閑時(shí)刻和通信時(shí)刻，如果SCLK在數(shù)據(jù)發(fā)送之前和之后的空閑狀態(tài)是高電平，那么就是CPOL=1；如果空閑狀態(tài)SCLK是低電平，那么就是 CPOL=0。

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CPHA

CPHA即Clock Phase，就是時(shí)鐘的相位。

主機(jī)和從機(jī)要交換數(shù)據(jù)，牽涉到一個(gè)問(wèn)題：主機(jī)在什么時(shí)刻輸出數(shù)據(jù)到MOSI上而從機(jī)在什么時(shí)刻采樣這個(gè)數(shù)據(jù)？

同步通信的一個(gè)特點(diǎn)就是所有數(shù)據(jù)的變化和采樣都是伴隨著時(shí)鐘沿進(jìn)行的，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)總是在時(shí)鐘的邊沿附近變化或被采樣。而一個(gè)時(shí)鐘周期必定包含了一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿，這是周期的定義所決定的，只是這兩個(gè)沿的先后并無(wú)規(guī)定。

又因?yàn)閿?shù)據(jù)從產(chǎn)生的時(shí)刻到它的穩(wěn)定是需要一定時(shí)間的，那么，如果主機(jī)在上升沿輸出數(shù)據(jù)到MOSI上，從機(jī)就只能在下降沿去采樣這個(gè)數(shù)據(jù)了。反之如果一方在下降沿輸出數(shù)據(jù)，那么另一方就必須在上升沿采樣這個(gè)數(shù)據(jù)。

CPHA=1，就表示數(shù)據(jù)的輸出是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第一個(gè)沿上，至于這個(gè)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(shù)據(jù)的采樣自然就是在第二個(gè)沿上了。

CPHA=0，就表示數(shù)據(jù)的采樣是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第一個(gè)沿上，同樣它是什么沿由 CPOL 決定。那么數(shù)據(jù)的輸出自然就在第二個(gè)沿上了。仔細(xì)想一下，這里會(huì)有一個(gè)問(wèn)題：就是當(dāng)一幀數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸?shù)谝粋€(gè) bit 時(shí)，在第一個(gè)時(shí)鐘沿上就采樣該數(shù)據(jù)了，那么它是在什么時(shí)候輸出來(lái)的呢？有兩種情況：一是 SSEL 使能的邊沿，二是上一幀數(shù)據(jù)的最后一個(gè)時(shí)鐘沿，有時(shí)兩種情況還會(huì)同時(shí)生效。

四種工作模式

以CPOL=1，CPHA=1為例，把時(shí)序圖畫(huà)出來(lái)給大家看一下，如圖1所示。
　

圖1?SPI通信時(shí)序圖(一)

大家看圖1，當(dāng)數(shù)據(jù)未發(fā)送時(shí)以及發(fā)送完畢后，SCK都是高電平，因此CPOL=1。可以看出，在SCK第一個(gè)沿的時(shí)候，MOSI和MISO會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)SCK第二個(gè)沿的時(shí)候，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，此刻采樣數(shù)據(jù)是合適的，也就是上升沿即一個(gè)時(shí)鐘周期的后沿鎖存讀取數(shù)據(jù)，即CPHA=1。注意最后最隱蔽的SSEL片選，這個(gè)引腳通常用來(lái)決定是哪個(gè)從機(jī)和主機(jī)進(jìn)行通信。

剩余的三種模式，也把圖畫(huà)出來(lái)了。簡(jiǎn)化起見(jiàn)把MOSI和MISO合在一起了，大家仔細(xì)對(duì)照看看研究一下，把所有的理論過(guò)程都弄清楚，有利于你對(duì)SPI通信的深刻理解，如圖2所示。

圖2 SPI通信時(shí)序圖(二)

結(jié)語(yǔ)

在時(shí)序上，SPI是不是比I2C要簡(jiǎn)單的多？

沒(méi)有了起始、停止和應(yīng)答，UART和SPI在通信的時(shí)候，只負(fù)責(zé)通信，不管是否通信成功；而I2C卻要通過(guò)應(yīng)答信息來(lái)獲取通信成功失敗的信息。相對(duì)來(lái)說(shuō)，UART和SPI的時(shí)序都要比I2C簡(jiǎn)單一些。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的SPI接口通信协议详解：SPI时序、2线、3线、4线SPI及4种常用工作模式的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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