spi通信原理是什么

SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外国器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSl）。

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步、全双工、主从式的串行通信协议，主要用于短距离、高速通信，常见于微控制器与外围设备（如传感器、存储器、显示屏等）之间的连接。

其核心原理如下：

核心硬件连线 (四线制 - 最常见)：
- SCLK (Serial Clock，串行时钟线)： 由主机生成并输出给所有从机，用于同步数据传输。所有数据的收发都在时钟边沿的驱动下进行。
- MOSI (Master Out Slave In，主机输出从机输入)： 主机发送数据到从机的数据线。
- MISO (Master In Slave Out，主机输入从机输出)： 从机发送数据到主机的数据线。
- SS/CS (Slave Select / Chip Select，从机选择/片选线)： 由主机控制。每个从机都有自己独立的 SS 线。主机通过拉低特定从机的 SS 线电平来选中该从机进行通信。同一时间只能有一个从机被选中。
工作原理 (简化步骤)：
- 主机拉低目标从机的 SS/CS 线电平（表示选中该从机）。
- 主机开始在其 SCLK 线上输出时钟脉冲。
- 数据传输 (全双工发生)：
  - 在每个时钟脉冲的边沿(上升沿或下降沿，由配置决定)，主机从MOSI 线发出一位数据到从机，同时从机从MISO 线发出一位数据到主机。
  - 主机内部通常有一个移位寄存器，数据在时钟驱动下逐位移出（通过 MOSI），同时接收到的数据（通过 MISO）逐位移入寄存器。从机内部也有类似的移位寄存器。
  - 简单理解： 主机和从机的移位寄存器在 SCLK 的同步下，通过 MOSI 和 MISO 形成一个环（只是方向相反）。数据在这个环中“流动”或“交换”位。
- 持续发送和接收数据，直到完成一个数据帧（通常是 8 位或 16 位）。
- 主机拉高SS/CS 线电平，结束本次通信。
关键概念：
- 同步： 数据传输的节奏完全由主机发出的 SCLK 控制，消除了异步通信中需要波特率精确匹配的问题，可以达到更高的通信速率。
- 全双工： 主机和从机可以同时发送和接收数据，数据在 MOSI 和 MISO 线上是双向流动的。
- 主从模式： 通信必须由主机发起和控制。从机不能主动发起通信，只能在被主机选中时响应。
- 时钟极性 (CPOL) 和时钟相位 (CPHA)：
  - CPOL: 决定 SCLK 空闲时的电平状态。CPOL=0：空闲时为低电平；CPOL=1：空闲时为高电平。
  - CPHA: 决定数据在 SCLK 的 哪个边沿 被采样（捕获）。
    - CPHA=0：数据在 SCLK 的 第一个边沿（若 CPOL=0 则为上升沿，若 CPOL=1 则为下降沿）被采样。数据位通常在 另一个边沿 发生改变。
    - CPHA=1：数据在 SCLK 的 第二个边沿（若 CPOL=0 则为下降沿，若 CPOL=1 则为上升沿）被采样。数据位通常在 另一个边沿 发生改变。
  - 主机和从机的 CPOL 和 CPHA 必须配置一致 才能正常通信。这两种设置定义了四种 SPI 模式（Mode 0-3）。
- 无流控制/地址机制： SPI 本身不包含内置的流控制机制（如 UART 的硬件流控）或寻址机制。寻址完全依靠独立的 SS/CS 线来实现。
优点：
- 高速： 比异步串口（如 UART）快得多（可达几十甚至上百 MHz）。
- 简单： 硬件和软件实现相对简单。
- 全双工： 支持同时收发。
- 连接灵活： 通过多个 CS 线可连接多个从设备（点对多）。
缺点：
- 无寻址机制： 需要更多引脚（每个从机一根 CS 线）。
- 无流控： 没有硬件确认机制，可靠性完全由主机软件保证或依赖更高层协议。
- 无硬件错误检测： 缺少奇偶校验位或错误校验码（CRC）。
- 主从限制： 只能有一个主机，从机不能主动发起通信。

总结：

SPI 通信的本质是主机通过专用片选线选中一个从机，并在自身产生的时钟信号（SCLK）的严格同步下，通过 MOSI 线将数据位移出去，同时通过 MISO 线接收从机位移回来的数据（通常在同一时刻）。时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）的设置定义了数据采样的具体时刻。这种同步、全双工的方式使得 SPI 能够实现高速数据传输。