SPI通信的基础知识

1 SPI物理层

SPI通信设备之间常用物理连接方式如下图



 SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为CS。

 CS:从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为NSS。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线；而每个从设备都有独立的这一条CS信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。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NSS线被拉高作为结束信号。

 SCK:时钟信号线，用于通讯数据同步。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，如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

在NRF52832中

typedef enum
{
    NRF_DRV_SPI_FREQ_125K = NRF_SPI_FREQ_125K, ///< 125 kbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_250K = NRF_SPI_FREQ_250K, ///< 250 kbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_500K = NRF_SPI_FREQ_500K, ///< 500 kbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_1M   = NRF_SPI_FREQ_1M,   ///< 1 Mbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_2M   = NRF_SPI_FREQ_2M,   ///< 2 Mbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_4M   = NRF_SPI_FREQ_4M,   ///< 4 Mbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_8M   = NRF_SPI_FREQ_8M    ///< 8 Mbps.
} nrf_drv_spi_frequency_t;

nrf_drv_spi_frequency_t可以用来配置SPI的通信速率。

 MOSI (Master Output， Slave Input)主设备输出/从设备输入引脚。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 Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。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。

2 协议层

2.1 SPI基本通信过程

 这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。

 在上图中的标号1处，NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号。NSS是每个从机各自独占的信号线，当从机检在自己的NSS线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号处，NSS信号由低变高，是SPI通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

 SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用上图中的MSB先行模式。

 观察图中的2，3，4，5标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻，MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。

 SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。

3 SPI的模式

 上面讲述的图中的时序只是SPI中的其中一种通讯模式，SPI一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。

 时钟极性CPOL是指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、 NSS线为高电平时SCK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是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时，数据线在SCK的“偶数边沿”采样。



 我们来分析这个CPHA=0的时序图。首先，根据SCK在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。

 无论CPOL=0还是=1，因为我们配置的时钟相位CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在SCK的奇数边沿。注意当CPOL=0的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变，数据信号将在SCK奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。



 类似地，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样，见上图。

 由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，见下表，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

3 软件模拟

模式0

void SPI_write_read_mode1(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;
  delay_us(10);
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 0;                //数据发送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)
       SPI_MOSI = 1;
    else SPI_MOSI = 0;
    n_Data = n_Data << 1;  

     SPI_SCK = 1;              //数据接收
     data<<=1;
     if(SPI_MISO)
     {data++;}
     SPI_SCK = 0;
  }

}

模式1

void SPI_write_read_mode2(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;
  delay_us(10);
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 1;                //数据发送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)
       SPI_MOSI = 1;
    else SPI_MOSI = 0;
    n_Data = n_Data << 1;  

    SPI_SCK = 0;              //数据接收
    data<<=1;
    if(SPI_MISO)
    {data++;}
    SPI_SCK = 0;
  }

}

模式2

void SPI_write_read_mode3(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;
  delay_us(10);
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 1;                  //数据发送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)
       SPI_MOSI = 1;
    else SPI_MOSI = 0;
    n_Data = n_Data << 1;  

    SPI_SCK = 0;                //数据接收
    data<<=1;
    if(SPI_MISO)
    {data++;}
    SPI_SCK = 0;
  }
  SPI_SCK = 1;
}

模式3

void SPI_write_read_mode4(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;
  delay_us(10);
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 0;                  //数据发送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)
       SPI_MOSI = 1;
    else SPI_MOSI = 0;
    n_Data = n_Data << 1;  

    SPI_SCK = 1;                //数据接收
    data<<=1;
    if(SPI_MISO)
    {data++;}
    SPI_SCK = 0;
  }
  SPI_SCK = 1;
}

参考资料：

1《STM32库开发实战指南-基于STM32F4》 刘火良，杨森编著 机械工业出版社

2 软件模拟SPI部分的程序参考了公众号“ Bernice坚果丁” https://mp.weixin.qq.com/s/SqKvReXRXCrqIj-G78I9CA