1、基础知识

1.1 概念

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口），是Motorola公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输，广泛用于EEPROM、Flash、RTC（实时时钟）、ADC（数模转换器）、DSP（数字信号处理器）以及数字信号解码器上。SPI通信的速度很容易达到好几兆bps，所以可以用SPI总线传输一些未压缩的音频以及压缩的视频。

特点：
       SPI设备之间通信必须由主设备控制从设备，主设备可通过片选实现控制多个从设备，从设备不能产生或控制时钟，只可主设备提供。

        SPI是采用同步方式传输数据的。

        SPI设备之间数据传输又称为数据交换，不管是读数据还是写数据都需要发送数据到从设备为其提供时钟，才能正常进行，在有些设备读取数据时可能需要先写入数据，此时一定要记得将写入时从设备响应的数据也读出来，后面才可读出对应需要的数据。

优点：
        支持全双工操作，操作简单，数据传输速率较高。
缺点：
        需要占用主机较多的口线，只支持单个主机，没有应答机制确认是否接收到数据，相对于IIC缺点来说是一个大的缺点。

1.2 SPI物理层

        采用主从模式（Master-Slave）的控制方式，支持单Master多Slave。

        SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备Master来控制从设备Slave。也就是说，如果FPGA是主机的情况下，不管是FPGA给芯片发送数据还是从芯片中接收数据，写Verilog逻辑的时候片选信号CS与串行时钟信号SCK必须由FPGA来产生。同时一个Master可以设置多个片选(Chip Select)来控制多个Slave。SPI协议还规定Slave设备的clock由Master通过SCK管脚提供给Slave，Slave本身不能产生或控制clock，没有clock则Slave不能正常工作。

 注：一主一从

        SCK(Serial Clock)：SCK是串行时钟线，作用是Master向Slave传输时钟信号，控制数据交换的时机和速率，它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

        MOSI(Master Out Slave in)：在SPI Master上也被称为Tx-channel，作用是SPI主机给SPI从机发送数据，主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

        MISO(Master In Slave Out)：在SPI Master上也被称为Rx-channel，作用是SPI主机接收SPI从机传输过来的数据，主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

        CS/SS(Chip Select/Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、SS。SPI 协议中没有设备地址，它使用 cs 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 cs 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI 通讯。所以SPI通讯以 cs 线置低电平为开始信号，以 cs 线被拉高作为结束信号。

 注：一主多从

        SPI 协议使用 3 条总线及N条片选线，3 条总线分别为 SCLK、MOSI、MISO，片选线为CS，其中3条总线是多个从设备共用的，CS是每一个从机有一条。

1.3 SPI协议层

        SPI总线在传输数据的同时也传输了时钟信号，所以SPI协议是一种同步（Synchronous）传输协议。Master会根据将要交换的数据产生相应的时钟脉冲，组成时钟信号，时钟信号通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)控制两个SPI设备何时交换数据以及何时对接收数据进行采样，保证数据在两个设备之间是同步传输的。

        SPI总线传输一共有4中模式，这4种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义，其中CPOL参数规定了SCK时钟信号空闲状态的电平，CPHA规定了数据是在SCK时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样。

        时钟极性 CPOL： 表示SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、CS 线为高电平时 SCLK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。
        时钟相位 CPHA：表示数据采样的时刻，当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCLK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时，数据线在 SCLK 的“偶数边沿”采样。

        模式0：CPOL= 0，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换
　　模式1：CPOL= 0，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换
　　模式2：CPOL= 1，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换
　　模式3：CPOL= 1，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换

SPI工作模式	CPOL	CPHA	空闲时的SCLK电平	采样时刻
0	0	0	低电平	奇数边沿
1	0	1	低电平	偶数边沿
2	1	0	高电平	奇数边沿
3	1	1	高电平	偶数边沿

 SPI通信过程：

        SPI总线协议是一种全双工的串行通信协议，数据传输时高位在前，低位在后。SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅充当一个发送者（Transmitter）或者接受者（Receiver）。在片选信号CS为0的情况下，每个clock周期内，SPI设备都会发送并接收1 bit数据，相当于有1 bit数据被交换了。数据传输高位在前，低位在后（MSB first）。SPI主从结构内部数据传输示意图如下图所示：

        在对SPI核操作的控制寄存器进行设置之后即可启动数据传输。数据传输的启动是通过向数据寄存器SPDR中写入数据。对数据寄存器执行写操作实际上是往一个4项写队列中添加数据项。每次写操作即往队列中写入一个字节的数据。当SPI核被使能时，并且写缓冲区不为空，SPI核就是会自动往发送写队列中最旧的数据项。接收数据与发送数据同时进行；每当发送一个字节的数据，同时总会收到一个字节的数据。如果想要的接收一个字节的数据，需要往写缓冲区写入一个字节的冗余数据，这样做是为了让SPI核启动数据传输，在发送冗余数据的同时接收想要的数据，每完成接收一个字节的数据，这个字节会被移入读缓冲区。读缓冲区和写缓冲区是对立的，是一个独立的4项队列。对数据寄存器执行读操作，便会得到读队列中的数据项。