SPI简介

• SPI:串行外设接口,与IIC一样都是通用数据总线。
• 四根通信线：SCK，MOSI（DO），MISO（DI），SS。
• 同步（共用一根时钟线），全双工（数据发送和接收单独占一条线）
• 支持挂载多设备，一主多从，每个从机占用一根ss线

SPI与IIC对比： 

        与IIC不同，IIC可以实现多主机，半双工。IIC可以在消耗最低硬件资源的情况下实现最多的功能，性价比很高，缺点是通信线高电平的驱动能力较弱，低电平上升到高电平时需要花费很多时间，标准模式只有100KHz左右的速度，快速模式也只有400KHz。

        SPI传输更快，设计简单粗暴，较为简单，硬件开销较大，通信线较多，简单快速。

硬件电路：

• 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
• 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
• 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入

        得益于推挽输出的强驱动能力，使得高低电平变化很快，因此它的传输速度很快，注意：当从机的SS引脚为高电平，也就是从机未被选中的时候，它的MISO引脚必须为高阻态，在SS为低电平时，才允许变为推挽输出。

SPI移位示意图：

        SPI运行原理：波特率发生器的作用就是产生时钟信号，经过一个上升沿和一个下降沿的时候，主机和从机就会交换一个数据，如图当产生上升沿时候，SPI主机和从机的移位寄存器都往左移，主机移出来一位1，从机移位出来一位0，这个移出来的数据放在各自线上的寄存器中，当产生下降沿时，主机与从机读取对方线上的数据，此时SPI主机的移位寄存器的最低位接收到了从机发出的0，同理SPI从机的移位寄存器接收到了1。这就是主机和从机交换一个字节的原理，就能同时实现数据的收发。

        主机和从机都是基于字节交换来完成数据收发的，每次收发数据就执行一次字节交换的时序，当需要发送不需要接收数据的时候怎么办呢？这时候还是调用字节交换的时序，只是不去读取从机接收的数据是什么。同理只需要接收不需要发送的时候，一般会让主机发送0x00或0xFF这种数据来把从机的数据置换过来。

SPI时序

• 通信开始：SS从高电平切换为低电平
• 通信保持：SS一直保持低电平
• 通信终止：SS从低电平切换为高电平

        SPI有两个可以配置的位，分别为：CPOL，CPHA，每一位可以配置为1或0，总共组合起来一共有四种模式。

• CPOL：时钟极性
• CPHA：时钟相位

模式0（最常用）：

• CPIOL= 0，表示空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA = 0，表示SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

        模式0如图：由于时钟第一个边沿就要移入数据，那么应该提前有数据在数据线上，因此，在SS刚产生跳变时，MOSI和MISO就移出了一次数据，在时钟产生上升沿时，移入B7，紧接着时钟继续产生跳变，开始移出数据，就这样依次进行到最后一次时钟产生跳变时，MISO和MOSI还会再多移出一次数据，这样在下一次时钟产生上升沿的时候，才能继续移入数据，这样就能重复一个字节数据的收发了。

模式1：

• CPIOL= 0，表示空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA = 1，表示SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

        如图模式1的时序图，MISO开始时为中间态，表示未选中从机时MISO为高阻态，当选中后也就是SS产生下降沿变为低电平时，开始传输数据，当SCK产生上升沿时，MOSI和MISO同时移出数据，当时钟产生下降沿时，又同时移入数据，这样就完成了一次数据交换，之后数据依次移出，移入，最后一个下降沿数据B0传输完成。然后将MOSI置到一个默认的高电平或者低电平，也可以不用去操作，从机将MISO置为高阻态。

模式2：

如图：

        模式2就是模式0的时钟相位取反，其余都相同。

模式3：

        同理，模式3与模式1也是时钟相位取反，其余相同。

SPI时序图：

发送一个字节的时序图

下图为发送一个0x06指令的时序图：

        通常使用指令码给从机，在从机中对应有指令集，这样可以指导从机进行相应的操作。具体指令参考从机的数据手册，有的指令只需要指令码，有的则是指令码+数据。

        如图这个波形为主机发送0x06指令，使用模式0，SS产生下降沿，MOSI和MISO开始变换数据，MOSI最高位是0，这里保持低电平不变，MISO这里从机没有数据发送给主机，引脚电平不用变换，MISO采用上拉输入，这里一直是高电平。在第一个时钟沿时，从机采样输入MOSI线，得到数据0，主机采样MISO线，得到数据1。到第6根绿线时，也就是第六个时钟沿，主机数据变化，这一位是1，那么改变MOSI信号为高电平。第二个时钟沿，也就是第二条绿线，这时候主机进行输出，由于第二位是0，那么波形也不用变化。

        有些芯片在不需要回传数据时，会保持MISO为高阻态，例如，W25Q64芯片在不需要回传数据时，MISO一直保持高阻态。

        总结来说就是下降沿变换数据，上升沿采样数据。

指定地址写的指令时序图

        如图实现了向指定设备发送写指令（0x02），再在指定地址下，写入数据。这个地址为24位，就需要三个字节进行传输，就要发三次8位的数据。如图，第一个字节时序实现了发送0x02指令，第二、三、四个字节时序分别发送了指令的23-16位，15-8位，7-0位的数据，最后一个字节时序发送了数据0x55。整个指令时序实现了在0x123456地址下写入0x55这个数据。

        如果发送一个字节后不终止，继续发送字节的话就会存储到下一个地址中，在SPI通信中，也会有地址指针，每读写一个字节，地址指针自动加1。

指定地址读的指令时序图

        如图实现了读从机的指定地址，第一个字节时序为读指令，第2、3、4个字节时序为地址，第五个字节时序就是随便发送一个数据来把从机的数据置换过来，一般这个数据为0xFF。 同理在这里也有地址指针，继续置换数据也会得到从机后一个地址的数据。

注意：由于MISO是由硬件自动控制，那么它会紧贴时钟的下降沿，MISO数据的最高位实际上是在上一个字节，最后一个下降沿提前发生的，因为是SPI模式0，所以数据变化都提前半个周期。