常用的嵌入式硬件通信接口协议（UART、IIC、SPI、RS-232、RS-485、RS-422、CAN、USB、IRDA）（三）

3、SPI

（1）基本概念

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。它以主从方式工作，这种模式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（单向传输时）。

SPI是一个环形总线结构，由MOSI、MISO、SCLK、CS构成，其时序其实很简单，主要是在SCLK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

• MISO– Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出；
• MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
• SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
• CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。

电路设计中，只需要把Master设备的SCKL，MOSI，MISO，CS四根引脚分别与Slave设备的对应引脚相连即可。

需要注意以下几点：

• 4根信号线可串联10~50欧姆的小电阻，可以适当增加信号线阻抗，满足终端阻抗匹配，以抑制信号终端反射。
  
• 当只有一个slave设备，且IO口资源紧张的条件下，可直接将CS引脚拉低，这样可以节省出一个IO口，下拉电阻阻值可选择10K左右。
  
• 在SPI操作中，有两项比较重要的设置，就是时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA或UCCKPH）。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。

注意：Master设备和与Slave设备通信时，两者的时钟相位和极性应该保持一致。

• 若Master设备和Slave设备电平存在差异，比如Master设备1.8V，Slave设备3.3V，则需要在Master设备和Slave设备之间增加一个支持SPI通信速率的电平转换器
  

多从机电路设计

常规SPI模式

在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能（拉低）片选信号，MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。

随着从机数量的增加，来自主机的片选线的数量也增加。这会快速增加主机需要提供的输入和输出数量，并限制可以使用的从机数量。可以使用其他技术来增加常规模式下的从机数量，例如使用多路复用器产生片选信号。

菊花链模式

在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。

使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。例如为使第3个从机能够获得数据，需要24个时钟脉冲，而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。另外并非所有SPI器件都支持菊花链模式，请参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。

（2）通信过程

SPI总线在进行数据传送时，先传送高位，后传送低位；数据线为高电平时表示逻辑“1”，低电平时表示逻辑“0”；一个字节传送完成之后无需应答即可开始下一个字节的传送；SPI总线采用同步方式工作，时钟线在上升沿或者下降沿时发送器向数据线上发送数据，在紧接着的下降沿或者上升沿时接收器从数据线上读取数据，完成一位数据传送，八个时钟周期即可完成一个字节数据的发送。

（3）优缺点

优点：

• 支持全双工，push-pull的驱动性能相比open-drain信号完整性更好；
• 支持高速（100MHz以上）；
• 协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长；
• 在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。
• 硬件连接简单；

缺点：

• 相比IIC多两根线，没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备；

• 没有指定的流控制，没有应答机制（ACK）确认是否接收到数据，主设备对于发送成功与否不得而知；

• 典型应用只支持单主控；

• 在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。
  温馨提示： 下一章节将讲述RS-232通信。