SPI协议——笔记
目录
1. 基本信号线
2. 主从结构
3. 数据传输模式（CPOL和CPHA）
4. 数据传输过程
举例：一个简单的数据传输流程
5、问题解决
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种常用的串行通信协议，广泛应用于微控制器、传感器、存储器和显示设备之间的数据传输。它通常用于短距离的高速通信，支持全双工通信
1. 基本信号线
SPI通常使用四条信号线：
- MOSI（Master Out Slave In）：主机输出、从机输入，主机通过这条线发送数据给从机。
- MISO（Master In Slave Out）：主机输入、从机输出，从机通过这条线发送数据给主机。
- SCK（Serial Clock）：串行时钟，由主机产生，用于同步数据传输。
- SS/CS（Slave Select/Chip Select）：从机选择，由主机控制，用于选择哪个从机参与通信（低电平有效）。
2. 主从结构
SPI采用主从结构，主机（Master）控制时钟信号和数据传输，从机（Slave）仅在被选择时进行通信。主机可以有一个或多个从机，每个从机对应一个独立的SS/CS信号。当主机拉低某个从机的SS/CS信号时，该从机即参与通信。
3. 数据传输模式（CPOL和CPHA）
SPI的时钟有两个参数控制传输模式：
- CPOL（Clock Polarity）：控制时钟的空闲状态是高电平（1）还是低电平（0）。
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CPHA = 0：
- 数据在时钟的第一个边沿（上升沿）进行采样。
- 对应的工作模式：模式0和模式2。
-
CPHA = 1：
- 数据在时钟的第二个边沿（下降沿）进行采样。
- 对应的工作模式：模式1和模式3。
注意：在下图当中。当CPHA=0或者CPHA=1，不是说在开始发送数据的时候，时钟线是低电平或者高电平，而是说，CPHA = 0 是指数据在时钟上升沿被读取，CPHA=1是指在时钟下降沿的时候被读取。为了方便不混淆;可以说，
在MOSI信号线上：CPHA=0,每个周期的第一个边沿读取（从机去读取），CPHA=1，每个周期的第二个边沿读取（从机读取）；
在MISO信号线上：CPHA=0，主机机会在每个时钟周期的第一个边沿读取主机发送的数据，CPHA=1，主机也会在每个时钟周期的第二个边沿读取从机发送的数据。
这两个参数的组合会形成4种工作模式，通常称为模式0、模式1、模式2和模式3。不同的设备可能支持不同的SPI模式，因此在通信时要确保主从双方的模式一致。所以一般的芯片手册上面，厂家会提供该芯片的通信模式
模式0：CPOL=0，CPHA=0；
模式0：CPOL=0（极性），CPHA（相位）=0:在模式0下面，时钟空闲状态时低电平，第一个边沿采样，所以当第一个周期开始的时候，此时第一个周期时低电平开始，主设备开始发送数据，当第一个周期当中，电平开始拉高产生上升沿的时候，从设备读取数据，当从设备接收到数据之后，在第二个周期当中，时钟信号变为低电平，产生下降沿，主设备发送数据，在第二个周期当中，时钟信号由低电平变为高电平的时候，产生上升沿，从设备接收数据，以此类推，当停止接收的时候，片选信号线会变为低电平，结束通信。
模式1：CPOL=0，CPHA=1；
- CPOL = 0：时钟空闲状态为低电平。
- CPHA = 1：数据在时钟信号的下降沿被采样。
-
片选信号（SS/CS）：
- 主设备将对应从设备的片选信号拉低，选择该从设备进行通信。
-
第一个周期：
- 时钟信号：开始时，SCK保持在低电平。
- 主设备发送数据：
- 空闲状态是低电平，数据开始第一个周期会将时钟信号拉高，在拉低，第一个边沿为上升沿发送数据。
- 从设备接收数据：
- 在SCK从高电平下降到低电平时，从设备在这个下降沿采样MOSI线上的数据。
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第二个周期：
- 时钟信号：SCK在这一周期继续在低电平和高电平之间切换。
- 主设备准备下一个数据位：
- 主设备在时钟信号上升沿时准备下一个数据位。
- 从设备接收数据：
- 当SCK再次下降到低电平时，从设备在这个下降沿采样MOSI线上的数据。
主设备在MOSI线上发送数据位，从最高有效位（MSB）开始。由于这时候CPHA=1，第二个边沿产生时，从机会读取数据。
前面时钟空闲状态为低电平，这时候拉高会产生上升沿，主设备会发送数据，而在第一个周期还没结束的时候，时钟线会由高到低，产生下降沿，从设备接收数据，在第二个周期开始的时候，时钟线被拉高，产生上升沿，因此主设备发送数据，在第二个周期当中，当时钟线由高到低的时候，产生下降沿，从设备接收数据，由此重复循环，就实现通信，当主设备不想通信的时候，就会将cs信号线电平拉低或者拉高来结束通信，cs信号线为高电平或者低电平看从设备的芯片要求来定，因为对于有些芯片来说，厂家设计的时候，规定了这款芯片进行SPI通信的时候，cs线是低电平通信，还是高电平通信。但是绝大部分都是高电平通信，所以在想要和从设备通信之前，必须先将cs线拉高或者拉低，如果你选择的从设备是高电平通信，将cs拉高，当想要结束通信的时候，将cs线拉低。
模式2：CPOL=1，CPHA=0；
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时钟信号状态：在模式2中，时钟的空闲状态为高电平。这意味着在没有数据传输时，时钟线保持在高电平状态。
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数据传输：
- 主设备在MOSI线上发送数据时，数据的有效传输发生在时钟的下降沿。这是主设备首先拉高时钟线，随后在数据传输期间从高到低产生下降沿。
- 从设备在下降沿时接收数据。
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数据顺序：与模式1相同，主设备从MOSI线上发送数据时，也是从最高有效位（MSB）开始。
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CS信号线：与模式1一样，CS信号线用于选择从设备，具体的高低电平取决于从设备的设计要求。当CS线有效时，主设备与从设备之间建立通信。
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结束通信：同样，主设备在完成数据传输后，通过拉高或拉低CS线来结束通信。
模式3：CPOL=1，CPHA=1；
对于模式3来说，CPHA=1，在第二个边沿读取数据，所以，当第一个边沿时，是用来发送数据的，下降沿发送数据，第二个边沿接收数据。
4. 数据传输过程
在SPI通信中，数据在SCK的边沿传输。每个时钟周期，MOSI和MISO各发送1位数据，完成全双工通信。数据的传输方向和速率由主机决定，通常采用8位或16位为一个数据帧。
举例：一个简单的数据传输流程
- 主机拉低目标从机的SS/CS信号，使该从机进入通信状态。
- 主机开始发送SCK信号，同时在MOSI上发送数据位，从机在MISO上返回数据。
- 数据传输完成后，主机拉高SS/CS信号，结束与该从机的通信。
5、问题解决
完善一下，在学习的过程当中，我也产生了几个疑问：
1、主设备将数据放到MOSI线上，然后在下降沿进行接收。这种时序安排确保了数据能够在正确的时刻被接收和发送。那么对于MISO线来说，此时收到的数据是来自从设备的吗？
回答：当MOSI线在发送数据的时候，MISO线在接收来自从设备的数据，当MOSI线在发送数据时，MISO线则在接收来自从设备的数据。在SPI通信中，这种时序安排确保了主设备和从设备能够同时进行数据传输。主设备在MOSI线上发送数据的同时，从设备会在MISO线上发送数据，主设备可以在合适的时刻读取MISO线上的数据。这样实现了双向通信。这样是SPI作为全双工通信的特点。
2、假如主设备当中有多个寄存器地址，从设备怎么确定数据存放在哪个寄存器当中呢，假如从设备当中有多个寄存器地址，主机发送的数据又怎么确定放在哪个寄存器地址下面呢？
回答：
在SPI通信中，主设备和从设备通过特定的协议来管理寄存器地址。这通常涉及以下几个步骤：
寄存器选择：主设备在发送数据之前，会首先发送一个命令字或寄存器地址。这一部分数据可以通过MOSI线传输给从设备，告诉从设备要访问哪个寄存器。
数据传输：一旦从设备识别了要访问的寄存器地址，主设备可以随后发送数据到该寄存器，或者从该寄存器读取数据。
协议约定：这种寄存器选择的方式需要在主设备和从设备之间有一致的协议。例如，可能会有一个固定的命令格式，其中包括寄存器地址和操作类型（读或写）。
多从设备情形：如果有多个从设备，主设备可以通过选择特定的片选信号（Chip Select，CS）来激活对应的从设备。这些片选信号通常是独立的，每个从设备都有一个对应的信号线。
3、在发送寄存器地址方面，SPI不用确认从设备是否知道我要发送到哪个寄存器地址下面吗？如果是第一段数据是从设备寄存器地址，那么读写是不是已经确定了，不用读写位来确定，因为这时候MOSI已经确定发送和接收的关系了？ 和IIC有相似之处吗？
回答：
在SPI中，主设备发送寄存器地址的确是在数据传输的初期阶段，这样从设备就可以知道接下来的数据是要写入哪个寄存器，或者是从哪个寄存器读取。主设备不需要单独确认从设备是否已经“知道”要发送到哪个寄存器，因为在发送寄存器地址后，从设备会根据这个地址来处理接下来的读或写操作。
相对于I2C，SPI的操作较为简单，因为I2C通常需要使用读写位来明确指示接下来是读还是写，而SPI则通过寄存器地址的顺序和主设备的时序来决定。因此，主设备通过发送正确的寄存器地址，已经在一定程度上确定了读写的关系，接下来的数据传输则依赖于协议的定义。