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1- SPI协议介绍

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速全双工同步串行通信协议，它由一个主设备(Master)和一个或多个从设备(Slave)组成，其中主设备启动与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。

SPI的通信原理很简单，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，一般需要4根线，事实上3根也可以。

• MISO(Master Input Slave Output)/SDI(Serial Data Input)
  主设备数据输入，从设备数据输出。
• MOSI(Master Output Slave Input)/SDO(Serial Data Output)
  主设备数据输出，从设备数据输入。
• SCLK(Synchronous Clock)
  同步时钟信号，由主设备产生。
• CS(Chip Select)
  从设备使能信号，由主设备控制。当总线上有多个从设备的时候，主设备如果需要和某个从设备通信，就将该设备对应的片选引脚拉低使能。

由于SPI采用两根数据线实现全双工的数据通信，从而能达到比12C更快的通信速率。12C协议v2.1规定了100K， 400K和3.4M三种速率(bps)。而SPI是一种事实标准，并没有一个官方标准，已知已有的器件SPI 速率可达到50Mbps，具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。此外， SPI没有相应的流控和应答机制，这样跟IC协议相比在数据可靠性上有一定的缺陷。

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2- SPI总线传输模式

Master设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲(Clock Pulse)，时钟脉冲组成了时钟信号(Clock Signal)，钟信号通过时钟极性(CPOL, Clock Polarity)和时钟相位(CPHA, Clock Phase)控制着两个SPI设备间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样，来保证数据在两个设备之间是同步传输的。

• CPOL(Clock Polarity，时钟的极性)：规约SPI总线在空闲时，时钟信号是高电平还是低电平。
• CPHA(Clock Phase，时钟的相位)：规约 SPI设备是在时钟信号上升沿还是下降沿触发数据采样。

SPI总线传输也就出现了如下四种模式：

• 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。
  

其中比较常用的模式是模式0和模式3，为了更清晰的描述SPI总线的时序，下图展现了模式0下的SPI时序图。

从途中我们可以清晰地看出，在模式0下总线空闲时， SCK串行时钟线为低电平，当SS被主机拉低以后，数据传输开始，数据线MOSI和MISO的数据切换(Toggling)发生在时钟的下降沿(下图的黑色虚线)，而数据线MOSI和MISO的数据采样(Sampling)发生在数据的正中间(下图中的灰色实线)。

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3- SPI总线数据交换

一个Slave设备要想能够接收到Master发过来的控制信号，必须在此之前能够被Master设备进行访问(Access)。所以，Master设备必须首先通过拉低 SS/CS管脚对Slave设备进行片选，把想要访问的Slave设备选上。

SPI设备间的数据传输之所以又被称为数据交换，是因为SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个"发送者(Transmitter)“或者"接收者(Receiver)”。事实上SPI设备在通信时两边各有1个移位寄存器，这样在发送一个bit的同时将会收到对方1个bit的数据，当发送完8bit数据后，也将收到对方的8bit数据，这也就意味着完成了1个byte的数据交换。

SPI数据传输过程实际上就是主从设备两个移位寄存器的数据交换过程，所以SPI的读功能实际上可以由SPI的写功能实现，即随便写一个字节的无效数据(Dummy Data)即可。在数据传输的过程中，每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样，如果之前接收到的数据没有被读取，那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃，导致SPI物理模块最级生效，因此，在程序中一般都会在SPI传输完数据后，正在联网识别并翻译。去读取 SPI设备里的数据，即使这些数据(Dummy Data)在我们的程序里是无用的。

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3- SPI与I2C对比

前面我们讲了I2C，现在我们来对比一下I2C和SPI的区别：

• SPI是全双工，而IIC是半双工
• I2C支持多主机多从机，SPI只能有一个主机
• 从GPIO占用上来看，IIC占用更少的GPIO，更节省资源
• SPI的数据位宽更灵活，可以根据需要选择多位数数据宽度
• SPI协议没有响应机制，主机无法得知从机是否接收到所发的数据，如果不采用一些方法的话可能会导致数据丢帧
• 正是因为没有复杂的响应机制，SPI协议可以做到非常高的速率，每一个SCLK都可以进行数的传输，通过引入CRC校验等校验方法，可以即高速传输数据，又能保持数据的准确度。
• I2C通过期间地址来选择从机，从机数量的增加不会导致GPIO的增加，而SPI通过CＳ片选信号选择从机，每增加一个从机就要多占用一个GPIO，当然也可以通过加入译码器来实现多从机控制