通信协议：SPI协议的组成和基本原理

SPI协议最早是由摩托罗拉公司提出的一种串行外围设备通信接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在很多种产品中，比如ADC模块、LCD显示屏、存储器等设备中，包括一些需要与MCU之间有较高通讯速率要求的场合中，应用也是很广泛的。

那SPI协议到底是一种什么样的协议呢？它有什么特点？别急，一步一步来分析。

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1、SPI 的硬件层

首先，SPI本质上是一种数据的通信协议，按照某些规定的协议规则进行数据的传输，完成数据的收发。

SPI通信上采用的是主从模式的通信方式，它支持一主一从、一主多从，但是不支持多主机模式。

注：主从模式指的是主机和从机之间的通信。

常见的一主多从的连接方式如下：

SPI器件的一主多从连接示意图

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1.1、SPI接口的信号线

SPI协议接口总共有四根信号线，分别为SCLK、MOSI、MISO、NSS，它们的作用分别如下：

SCLK：时钟信号线。由主机产生并控制。

MOSI：主机数据输出，从机数据输入。（主出从入）

MISO：主机数据输入，从机数据输出。（主入从出）

NSS：从机片选使能信号线。该信号由主机进行控制。在一主对多从的模式下，每一个从机都需要一个NSS，用于主机选择和那个从机进行通信（一般为低电平有效）。当一个SPI设备需要发送广播数据，它必须拉低NSS信号，以通知所有其它的设备它是主设备。

可知，MISO和MOSI是数据流的方向，指明了数据是从主机到从机，还是从机到主机；SCLK是时钟信号，用于数据发送过程中同步数据传输的；NSS是片选信号，用于在一主多从的通信时选择和哪个从机通信。

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1.2、SPI 通信常见的连接方式

下面列举了一些SPI通信的连接方式，如下：

（1）SPI 通信配置为全双工的连接方式：

注：这种连接方式允许主从机之间互相进行通信，时钟均由主机产生。

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（2）单工模式 —— 主机接收，从机发送

注：这种模式下由主机产生时钟SCK，主机只能收到从机上报的数据，不能向从机下发数据。

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（3）单工模式 —— 主机发送，从机接收

注：这种模式下由主机产生时钟SCK，主机只能向从机下发数据，不能接收从机上报的数据。常见的应用有带SPI接口的LCD显示屏。

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（4）双向通信的连接方式

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2、SPI 的通信协议

上面说了SPI的硬件组成和一些常用的连接方式，下面分析一下SPI的协议层面的组成。

SPI 协议定义了通信的起始信号、停止信号、数据有效性、时钟同步等。它的通讯时序如下：

SPI通信时序图

这是一个主机的通信时序，信号线 NSS、SCK、MOSI 都是由主机控制，MISO 是由从机进行控制。其中 MOSI 和 MISO 上的数据仅在 NSS 为低时才有效，并且每个SCK 时钟周期只交换一位数据。

他的每一部分组成分别如下：

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（1）起始信号

SPI通信时序图中的①为通信的起始信号，由主机控制NSS从高电平到低电平，从而选择要进行通信的从机，再通过主机产生时钟信号SCK，启动一次数据的传输。如下图：

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（2）停止信号

SPI通信时序图中的⑥为通信的起始信号，由主机控制NSS从低电平到高电平，从而结束一次数据的传输。如下图：

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（3）数据有效性

SPI 在 SCK 时钟的同步下进行数据的准备和采样，如通信时序图的②③④⑤所示。在 NSS 为低的情况时，在 SCK 的上升沿时 MISO 和 MOSI 进行数据准备，SCK 的下降沿时读取 MISO 和 MOSI 上的数据。在 NSS 为高时，MISO 和MOSI 上的数据无效。

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（4）时钟的同步

SPI 的数据传输是需要 SCK 时钟信号严格同步的，每一个 SCK 周期只传输一位数据，这一个周期里要完成数据的准备和采样，且数据的输入和输出是同时进行的。如下图：

SPI中数据是MSB(高位) 先行或 LSB(低位)先行，在协议中是没有硬性规定，只需通信双方保持统一即可。

注意：SPI 一次数据传输可以是 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

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3、SPI 的通信速率

关于SPI 的通信速率摩托罗拉公司并没有给出明确的标准和定义的。有一种说法：SPI的最大时钟频率一般是系统时钟频率的一半，意思即是SPI的速率是跟CPU有关系的，传输的速度受限于CPU处理SPI数据的能力，理论上讲CPU处理数据的速度越快，SPI的通信也可以相应的变快。

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4、SPI 的工作模式

上面简单介绍了SPI的硬件组成和协议的基本组成，大致是了解了SPI的组成和通信方式，还有一个很重要的特性是需要清楚的，那就是SPI的工作模式。

SPI 一共有四种工作模式。这四种模式是通过 “时钟极性 CPOL” 和 “时钟相位 CPHA” 的电平来实现和区分的。如下：

1）CPOL=0 时，SCK 引脚在空闲状态保持低电平；

2）CPOL=1 时，SCK 引脚在空闲状态保持高电平；

3）CPHA=0 时，SCK 时钟的第一个边沿进行采样；

4）CPHA =1 时，SCK 时钟的第二个边沿进行采样。

这四种模式的形成如下：

（1）时钟相位CPHA =1 ，数据在SCK 时钟的第二个边沿采样。时序图如下：

从上图中可以看出，当时钟相位CPHA=1时，数据在SCK的第二个边沿开始采样。当时钟极性CPLO=1时，SCK在空闲时保持在高电平状态；反之，当时钟极性CPLO=0时，SCK在空闲时保持在低电平状态。

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（2）时钟相位CPHA =0 ，数据在SCK 时钟的第一个边沿采样。时序图如下：

从上图中可以看出，当时钟相位CPHA=0时，数据在SCK的第一个边沿开始采样。当时钟极性CPLO=1时，SCK在空闲时保持在高电平状态；反之，当时钟极性CPLO=0时，SCK在空闲时保持在低电平状态。

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总结：

SPI的四种工作模式，它们之间的不同之处就在于：

1）总线空闲时 SCK 的电平状态。（高电平还是低电平）

2）数据开始采样的时刻。（SCK的第一个边沿还是第二个边沿）

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本文作者：嵌入式之入坑笔记

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