通信教程 | SPI接口说明及原理
通信教程 | SPI接口说明及原理
SPI（串行外设接口）是一种广泛应用于嵌入式系统中的同步串行通信接口，由摩托罗拉于1985年开发。它具有高速、全双工通信的特点，广泛应用于MCU与外设（如存储器、传感器等）之间的数据传输。本文将详细介绍SPI接口的基本概念、信号线定义、通信方式以及数据传输原理。
1、简介
SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外设接口，由摩托罗拉于1985年开发，是一种适用于短距离、设备到设备通信的同步串行接口。从那时起，这种接口就已成为许多半导体制造商，特别是微控制器（MCU）和微处理器（MPU）采用的事实标准。
2、SPI接口
SPI总线是一种4线总线，通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以。
- MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入
- MISO（Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出
- SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生
- SS（Slave Select）：从设备选择信号，由主设备控制
上面的SS信号，也可以理解为CS信号，一般是低电平有效，所以也是NSS（非）信号；
CS（Chip Select）：片选信号（从设备使能/选择信号），由主设备控制；
一主一从
最基本的SPI通信就是一主一从，比如：一个STM32作为主机，一个W25Q16（SPI Flash）作为从机。还有两个MCU之间进行SPI通信等。
上图例子是主机发送一个字节数据（0x53），从机应答一个字节数据（0x46）。
一主多从
SPI可以一主一从（一个主机，一个从机），但也可以一主多从。一主多从常见有两种连接方式。
A.常规
通常，每个从机都需要一条单独的SS线，要与指定的从机通信，将该从机的SS线设为低电平，并将其余的保持为高电平即可。
B.一条SS信号
某些应用只需要一条NSS即可（比如：移位寄存器），对于这种布局，数据从一个从设备移位到另一个从设备。
3、SPI数据传输
SPI的通信比较简单，一个时钟传输一位数据（主机 -> 从机，或者从机 -> 主机）。
SPI时钟
理论上SPI的时钟频率可以做到很大，一般几MHz~几百MHz，拿常见的W25Q16来说，SPI最高支持80MHz。SPI通信速率要结合实际情况，不能超过主机或从机支持的最大时钟频率。
SPI数据
SPI的数据分两个方向：
- MOSI：主机 -> 从机
- MISO：从机 -> 主机
SPI通信有一个“缺点”：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。可以理解为：不知道是什么时候主机发给从机，什么时候从机发给主机，到底该发多少字节数据等。此时，需要通信的主机和从机达成约定，一般由主机进行控制读写的操作。
比如下面这个读写SPI Flash数据的操作：前面1字节是指令，紧接着再3字节（24位）地址，都是由主机发送给从机。之后，主机读取数据（由从机发送出来）。
时钟极性和相位
除了设置时钟频率外，主机还必须配置与数据有关的时钟极性和相位。
- CPOL确定时钟的极性，极性可以通过简单的逆变器进行转换。
- CPHA确定相对于时钟脉冲的数据位的时序（即相位）。
一般集成有SPI外设的处理器，都有SPI相关的配置寄存器，拿STM32来说，参考手册里面有详细介绍SPI配置的信息。建议大家结合时序图理解，不要死记硬背。