SPI通信协议详解

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SPI通信协议详解

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CSDN

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SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由摩托罗拉（Motorola）在1980年前后提出的一种全双工同步串行通信接口，主要用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通信速度最高可达25MHz以上。

SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、网络控制器、OLED显示驱动器、AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设备之间。

SPI通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（Master Output Slave Input，MOSI），一条主设备输入与从设备输出（Master Input Slave Output，MISO），一条时钟信号（Serial Clock，SCLK），一条从设备使能选择（Chip Select，CS）。与I²C类似，协议都比较简单，也可以使用GPIO模拟SPI时序。

SPI可以同时发出和接收数据，因此SPI的理论传输速度比I²C更快。但是SPI通过片选引脚选择从机，一个片选一个从机，因此在多从机结构中，需要占用较多引脚，而I²C通过设备地址选择从机，只要设备地址不冲突，始终只需要两个引脚。

SPI可以一个主机连接单个或多个从机，每个从机都使用一个引脚进行片选，物理连接示意图如图：

SPI 一主一从示意图

SPI 一主多从示意图

在SCK时钟周期的驱动下，MOSI和MISO同时进行，如图所示，可以看作一个虚拟的环形拓扑结构。

虚拟环形拓扑结构

主机和从机都有一个移位寄存器也是串行移位寄存器，主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器，此时从机的串行移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”。

如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。

STM32F103系列的SPI控制器，可作为通信主机或从机，支持完整的四种传输模式，支持8位或16位数据长度。每个SPI控制器都有一个片选引脚NSS，使用该引脚作为片选时，称为硬件片选模式，也可以使用任意GPIO作为片选引脚，称之为软件片选模式。

SPI控制器结构如图所示，可以看作四部分组成：

①引脚：SPI协议需要四个个引脚：MOSI、MISO、SCK、NSS。其中NSS可以使用任意GPIO代替，通过软件控制电平实现手动片选。

②数据收发：SPI的传输可以看成一个环形拓扑结构。发送数据时，总线上的数据写入发送缓冲区，由发送缓冲区进入移位寄存器，最后从MOSI输出。同时，MISO的数据也进入移位寄存器，传入接收缓冲区，最后达到总线。

③时钟信号：SPI的时钟来源于PCLK，通过配置SPI_CR1寄存器的BR[2:0]实现对PCLK进行分频，最高为fPCLK/2。由前面图可知，SPI1挂载在APB2上的，SPI2是挂载在APB1上的。由前面图可知APB2最高72MHz，APB1最高36MHz。因此SP1工作最高频率为fPCLK2/2=36MHz，SPI2工作最高频率为 fPCLK1/2=18MHz。

④主控制逻辑：有两个控制寄存器（Control Register 1，CR1）和（Control Register 2，CR2）用于控制逻辑。通过它们可以修改SPI的工作模式（CPOL、CPHA），配置外设时钟频率，DMA使能等。同时控制逻辑的状态会反馈到（Status Register ，SR）这个状态寄存器上，得知SPI工作状态。

SPI特征