SPI接口通信协议浅谈成都自动化开发

沙鸥-成都

1 什么是SPI
SPI是串口外设接口的缩写，是一种高速的、全双工、同步的通信协议，是微处理器与外围IC之间常用的一种通讯方式。
SPI是主从式的通信协议，可以一主机一从机通信，也可以一主机多从机通信。

2 SPI的优缺点
SPI接口简单，一般只需要4个引脚就可以通信，分别是SCLK、MOSI、MISO、CS，假如只需要单向通信，那么最少只需要2个引脚就可以。

SPI的一个缺点就是没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据，只支持一个主机方式等。

3 SPI怎么工作的
用一句话概括SPI怎么工作的，SPI设备在SCLK时钟的驱动下，在其上升沿或者下降沿时接收或者发送数据，实现数据传输的目的。

3.1 SPI的工作模式
在SPI中，有四种工作模式，可以根据时钟极性CPOL和时钟相位CPHA进行选择。在空闲状态期间，CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。CPHA位选择时钟相位,根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位来确定工作模式。

如图 1为一主机和一从机的连接方式。其中SCLK时钟由主机发出，从机只能跟从主机的控制。MISO为主机的数据输入引脚，SDO为从机的数据输出引脚，在SCLK的控制下，数据一位一位地由从机的SDO引脚传送到主机的MISO引脚。MOSI为主机的输出引脚，SDI为从机的输入引脚，在SCLK的控制下，数据一位一位地由主机传送到从机。CS由主机控制，可以控制选中某一个从机与主机通讯，图 1为一主机一从机方式，其实可以将从机的CS引脚直接接到低电平表示常选中，那么就节省了CS引脚开支。

如图 2为模式0时的工作时序。在此模式下，当主机拉低CS电平时（黑色虚线），与其连接的从机被选中，该从机此时与主机进行通信。
当SCLK上升沿来临时（绿色虚线），主机读取来自从机输出的电平信号。
当SCLK下降沿时（蓝色虚线），主机送出一位数据，从机此时应当采集主机传输过来的信息。
在此时应当注意各个引脚上电平的持续时间，应当符合从机的要求。

3.2 SPI的数据传输

在SPI中，数据的接收和发送其实是同时进行的，只不过分别在一个脉冲的上升沿或（和）下降沿中进行。一般来说，在主机和从机中分别有一个移位寄存器，假如没有硬件的寄存器也可以用程序来虚拟一个移位寄存器。如图 3，当SCLK一个周期脉冲来临的时候，主机从移位寄存器的最高位（也可以设置为最低位）开始依次送出一个位的数据到从机移位寄存器的末尾，同时，从机也向主机发送一位数据到主机的移位寄存器的末尾。图中当SCLK发送8个脉冲之后，主机的移位寄存器和从机的移位寄存器中的数据就完全交换了一次，达到数据传输的目的。
在程序处理中，可以在通讯的过程中按照需求改变两机移位寄存器中的数值，或者选择是否读取对方移位寄存器中的数据。

4 SPI多机通信和编程

4.1一主机与多从机数据交换
 
（1）    主机与某一从机之间通信
当主机（master）与从机（slave）需要通信时，主机先将目标从机的CS引脚拉低，表示选中该从机，注意某一时刻只能与一个从机通信，也就是只能有一个从机的CS被拉低选中，再按照图 2类似的时序写程序，控制SCLK、MISO、MOSI引脚，读取从机数据或者向从机发送数据。
程序设计流程：

图 5为主机控制从机1在SPI 0模式下的一位数据（二进制0或者1）的收发程序流程。参照图 2，首先拉低从机1的片选信号，主机令SCLK引脚为低电平并保持要求的时间，之后主机令SCLK引脚为高电平，SCLK上升沿来到，此时从机的数据已经输入到主机的MISO引脚，主机将数据读入到一个变量里面。主机接着令MOSI引脚输出指定的电平信号，保持一定时间，再将SCLK引脚拉低，令SCLK产生下降沿，主机输出数据，这样就完成一位数据的收发流程。如果主机要与其他从机通信，只需要将其片选信号拉低，并将其余的片选信号拉高即可。

（2）    从机与从机之间的通信
从机与从机之间是不能进行直接通信的，但是可以这样，从机可以将数据传输到主机，再由主机将数据发送给目标从机，反之类似。控制器、电路板、自动化、软件开发定制，业务Q: 2531-263-726

4.2菊花链模式
 
图 6 菊花链模式
菊花链模式避免了过多的CS引脚开支，将上一个设备的输出引脚（如SDO）与下一设备的输入引脚（如SDI）串联起来，数据在SCLK的控制下可以实现从上一个设备到下一个设备的流动循环传输。
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