学习内容：

学习SPI协议记录

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学习清单：

提示：这里可以添加要学的内容

例如：

1. SPI协议的介绍
2. 三根线还是四根线
3. 两个概念四种模式
4. SPI时序图
5. SPI优缺点
6. SPI和IIC的对比

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学习详细内容：

1.SPI协议的介绍

SPI是串口外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。

2.三根线还是四根线

SPI一般都是默认4线制Motorola SPI协议，即有四根线，分别是：SCLK、MOSI、MISO和CS共4根数据线，标准4线制的好处是可以实现数据的全双工传输，当只有一个主机和一个从设备时，只需要一个CS、多个从机需要多个CS。（CS片选信号有的也叫做ＳＳ线），多从机模式，通常每个从机需要一条单独的SS线，如下图所示：

CS是chip select，即从设备使能信号，由主设备控制。当总线上有多个从设备时，主设备如果需要和某个从设备通信，就将该设备的片选引脚拉低使能。

即通过指定使能NSS，就能与对应的从机进行通信。

以上图中的４根线分别是：

• SCLK：Synchronous　CLock，同步时钟信号，时钟频率即SPI速率，和SPI模式有关
• MOSI：Master output slave input,主设备数据输出，从设备数据输入
• MISO：Master input slave output，主设备数据输入，从设备数据输出
• CS：chip select，从机设备选择，低电平有效

3线制SPI，根据不同的应用场景，主要有以下2中类型：

• 只有3根线：SCLK，MOSI和CS，没有MISO数据线，适用于单工通讯，主机只发送或只接收从机的数据
• 只有3根线：SCLK，SDIO和CS，这里的SDIO作为双向端口，适用于半双工通讯，比如ADI的多款ADC芯片都支持双向传输。

3.两个概念四种模式

既然是要进行数据的传输，双方就要明确从机在什么时刻去采样主机发出的数据，主机在什么时刻去读取从机发来的数据。
CPOL（Clock Polarity）时钟的极性，规约了SPI总线在空闲时，时钟信号是高电平还是低电平；

• CPOL=0 表示时钟空闲时为低电平
• CPOL=1 表示时钟空闲时为高电平

CPHA（Clock Phase）时钟的相位，规约SPI设备是在时钟上升沿还是下降沿触发数据采样。

• CPHA=0 表示数据在SCLK时钟上升沿被采样，在SCLK时钟下降沿切换（有的说法叫“在时钟信号SCLK的第一个跳变沿采样”）
• CPHA＝１表示数据在SCLK时钟下降沿被采样，在SCLK时钟上升沿切换（有的说法叫“在时钟信号SCLK的第二个跳变沿采样”）

时钟极性和时钟相位的不同组合，所以有了SPI总线传输的4种模式

模式1：CPOL＝０，CPHA＝０

模式１的示例图：即时钟空闲时为低电平，在时钟的上升沿被采样，下降沿切换

模式２：CPOL＝０，CPHA＝１
模式３：CPOL＝１，CPHA＝０
模式４：CPOL＝１，CPHA＝１

其余三个模式也是同理

４．SPI时序图

当以模式１为工作模式时：

先是将CS片选信号拉低，选中要通信的从设备，然后通过MOSI和MISO这两根数据线进行通信，MOSI数据线发出了０ｘＤ２这个数据给从设备，同时从设备也通过MISO线给主设备返回了０ｘ６６这个数据。由于SPI是全双工的，所以读写时序可以一起完成。

５．SPI的优缺点

SPI的优势

• 全双工串行通信
• 高速数据传输速率
• 简单的软件配置
• 及其灵活的数据传输，不限于８位，它可以是任意大小的字
• 非常简单的硬件结构，从站不需要唯一地址（与IIC不同），从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器／晶振（与UART不同），不需要收发器（与ＣＡＮ不同）

SPI的缺点

• 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）
• 通常仅支持一个主设备
• 需要更多的引脚（与IIC不同）
• 没有定义硬件级别的错误检查协议
• 与RS－232与CAN总线相比，只能支持非常短的距离

６．SPI和IIC的对比

• SPI是全双工，而IIC是半双工
• IIC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都可以进行数据的传输，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。
• IIC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
• 两者大多数都应用与板内器件短距离通讯

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学习资料：

参考资料１
参考资料２
参考资料３