SPI通信协议

1. SPI 通信协议简介

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、 LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合学习本章时，可与 I2C 章节对比阅读，体会两种通讯总线的差异。下面我们分别对 SPI 协议的物理层及协议层进行讲解。

1.1 SPI 物理层

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，它们的作用介绍如下：

(1) ( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、CS，以下用 NSS 表示。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 NSS 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。I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而 SPI 协议中没有设备地址，它使用 NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 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 NSS 线置低电平为开始信号，以 NSS 线被拉高作为结束信号。

(2) SCK (Serial Clock)：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 RT1052 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。

(3) 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。

(4) 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。

1.2 SPI 协议层

与 I2C 的类似，SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

1.2.1 通信时序

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。

对以上通信流程进行分解：

开始信号和停止信号

在上图中的标号处，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。一句话，NSS 电平拉低开始通信，NSS 电平拉高结束通信。

数据有效性

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。总的来说，根据时钟线的上升沿和下降沿时，MOSI 或 MISO 的此时的电平状态表示一位数据。

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。

CPOL/CPHA 及通讯模式

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。

SPI 模式	CPOL	CPHA	空闲时 SCK 时钟	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

2.扩展 SPI 协议（Single/Dual/Quad/Octal SPI）

以上介绍的是经典 SPI 协议的内容，这种也被称为标准 SPI 协议（Standard SPI）或单线 SPI 协议（Single SPI），其中的单线是指该 SPI 协议中使用单根数据线 MOSI 进行发送数据，单根数据线 MISO 进行接收数据。

为了适应更高速率的通讯需求，半导体厂商扩展 SPI 协议，主要发展出了 Dual/Quad/Octal SPI 协议，加上标准 SPI 协议（Single SPI），这四种协议的主要区别是数据线的数量及通讯方式，具体见下表。

表四种 SPI 协议的区别

SPI 模式	数据线数量及功能	通讯方式
Single SPI(标准 SPI)	一根发送一根接收	全双工
Dual SPI（双线 SPI）	收发公用两根接收	半双工
Quad SPI（四线 SPI）	收发公用四根接收	半双工
Octal SPI（八线 SPI）	收发公用八根接收	半双工

扩展的三种 SPI 协议都是半双工的通讯方式，也就是说它们的数据线是分时进行收发数据的。例如，标准 SPI（Single SPI）与双线 SPI（Dual SPI）都是两根数据线，但标准 SPI（Single SPI）的其中一根数据线只用来发送，另一根数据线只用来接收，即全双工；而双线 SPI（Dual SPI）的两根线都具有收发功能，但在同一时刻只能是发送或者是接收，即半双工，四线 SPI（Quad SPI）和八线 SPI（Octal SPI）与双线 SPI（Dual SPI）类似，只是数据线量的区别。

2.1 SDR 和 DDR 模式

扩展的 SPI 协议还增加了 SDR 模式（单倍速率 Single Data Rate）和 DDR 模式（双倍速率 Double Data Rate）。例如在标准 SPI 协议的 SDR 模式下，只在 SCK 的单边沿进行数据传输，即一个 SCK 时钟只传输一位数据；而在它的 DDR 模式下，会在 SCK 的上升沿和下降沿都进行数据传输，即一个 SCK 时钟能传输两位数据，传输速率提高一倍。