SPI接口原理详解

1简介

SPI：Serial Peripheral Interface，是串行外设接口。

SPI是由摩托罗拉于 1985 年前后开发，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。

2SPI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。

3SPI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。

　　审核编辑：汤梓红