SPI(Serial Peripheral Interface)协议

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是Motorola推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的、全双工、同步的通信总线。

全双工：host能与外围从设备之间的发送线和接收线各自独立，能同时进行发送数据和接收数据。

源同步传输

文章内容

1. SPI介绍
2. SPI协议通信时序详解
3. SPI数据传输方式
4. SPI总线优缺点 

1、SPI介绍

应用场景

SPI协议主要用于短距离的通信系统中，特别是嵌入式系统：

存储器：RAM，EEPROM，Flash等

数模转换器：A/D， D/A转换器等

驱动接口：LED显示驱动器，I/O接口芯片，UART接收器等。

主从模式控制：

SPI以主从方式进行工作，这种模式通常包含一个master和一个或多个slave，需要至少4根线（在单向传输时3根也可以），分别为：

1. SDO/MOSI(master output slave input)：主设备数据输出，从设备数据输入；
2. SDI/MISO(master input slave output)：主设备数据输入，从设备数据输出；
3. SCLK：时钟信号，由主设备产生；
4. CS/SS：片选信号，主设备控制并用于选择与其通信的从设备。

 

多Slave的SPI协议

SPI协议可以操作在一个master对应一个或者多个slave的条件下，此时有多个CS/SS片选信号，但是一个时间只能有一个片选信号有效。

slave的输出端口MISO都是三态驱动；高电平，低电平和不选中时输出为高阻态。

数据交换（data exchanges）

SPI设备之间的数据传输称为数据交换而不是数据传输。这是因为SPI设备不能在进行数据通信的过程中仅充当transmitter和recieiver的角色，而是在每个时钟周期内，主从SPI设备都会发送1bit大小的数据，相当于主从设备进行了1bit的数据交换。

在数据的传输过程中，每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样，如果之前接收的数据没有被采样，那么这些已经收到的数据可能被丢弃，导致 SPI 模块最终失效，因此，在程序中，一般都会在 SPI 传输完数据之后，去读取 SPI 设备里面的数据，即使这些数据是在我们程序中是没有用的。

2、SPI协议通信时序详解

时钟极性CPOL（表示状态）：

时钟极性CPOL用于表示SPI空闲状态是SCLK电平状态；

CPOL=0表示当SCLK=1时处于有效状态，SCLK=0处于空闲状态；

CPOL=1表示当SCLK=0时处于有效状态，SCLK=1处于空闲状态；

时钟相位CPHA（表示收发数据）：

时钟相位CPHA则用于表示数据采样发生在第几个边沿。

CPHA=0，表示在第1个边沿进行数据采样，第2个边沿进行数据发送；

CPHA=1，表示在第2个边沿进行数据采样，第1个边沿进行数据发送；

通信模式：

SPI通信具有四种不同的模式，不同的从设备可能在出厂时就配置为某种模式，不可改变；但由于通信双方需要工作在同一模式下，由master的CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）决定。

SPI通信模式与CPOL和CPHA的关系如下：

Mode0：CPOL=0，CPHA=0；

Mode1：CPOL=0，CPHA=1；

Mode2：CPOL=1，CPHA=0；

Mode3：CPOL=1，CPHA=1；

数据采样和数据传输？

数据采样指SPI主从设备的采样Buffer中的数据，数据传输指主/从设备将采样到的数据传输给从/主设备？

还是说

数据采样是slave传输数据给master，数据传输指master传输数据给slave？

3、SPI数据传输方式

SSPSR为SPI内部的移位寄存器（Shift Register），根据SPI时钟信号状态，向SSPBUF移入或移除数据，每次移动的数据大小由Bus-Width和Channel-Width决定。

Bus_Width是指定地址总线到Master之间数据传输的单位。例如，要往Master里的SSPBUF写入16Byte的数据：要先给Master的配置寄存器设置Bus_Width为Byte，然后往Master的Tx_Data移位寄存器的地址总线的入口写入数据，每次写入1Byte的数据，当写完1个Byte后，Tx_Data以为寄存器会自动的把地址总线传来的1Byte数据移入SSPBUF中，传16个Byte需要重复进行16次。

Channel_Width则是指定Master与Slave之间数据传输的单位。Master内部的移位寄存器会依据Channel_Width自动的把数据从Master_SSPBUF里通过Master_SDO传输到Slave_SDI中，Slave_SSPSR再将数据移入Slave_SSPBUF中。

通常情况下，Bus_Width≥Channel_Width，以保证不会因为Master和Slave之间数据交换的频率比地址总线与Master之间的数据交换频率要快而导致Master_SSPBUF存放的数据无效。

SSPBUF

在每个时钟周期内，Master和Slave之间交换的数据都是SPI内部移位寄存器从SSPBUF中拷贝的。可以通过往SSPBUF对应的寄存器（Tx_Data/Rx_Data register）里读写数据，间接控制SPI设备内部的SSPBUF。

例如：在发送数据之前，向Master的Tx-Data寄存器中写入将要发送的数据，这些数据会被Master-SSPSR移位寄存器根据Bus_Width自动移入Master-SSPBUF中，然后被Master-SSPSR根据Channel-Width从SSPBUF移出，通过输出管脚传给Slave。而Slave-SSPSR则将SDI接收到的数据移入到SSPBUF中。与此同时，Slave也进行相同的操作。

值得注意的是，在单次数据传输传输完成后，用户程序可以通过Master的Rx-Data寄存器读取Master设备交换后的数据。

4、SPI总线优缺点

优点：

• 协议简单利于硬件设计和实现，如不需要向I2C协议中每个从器件都需要一个地址；只需要四根线；
• 全双工协议，允许在同一时间内收发数据；
• 三态输出的驱动能力强，相对于I2C的开漏输出，抗干扰能力强，传输稳定；
• 相对于I2C协议，时钟速率快，没有最大限制；
• 输入输出的大小没有限制，允许传输多个字节；

缺点：

• 片选信号线会随着slave的增加而增加；
• 传输过程中没有确认信号，不能确定从器件是否收到；在SPI Flash中有read statu这个命令确定slave的状态是狗处于busy；
• 没有校验机制；

5、SPI代码