什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一種嵌入式系統(tǒng)中應用廣泛的同步串行通信、主從架構式總線接口。80年代由摩托羅拉開發(fā)，已成為事實標準。

這句話里有幾個關鍵要點：

• 同步
• 串行
• 通信
• 主從
• 總線

要理解這些要點，先上圖，一圖勝千言：

常見的SPI接口有這樣幾個引腳：

• SCLK: 串行時鐘，總是主端負責輸出(Master)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?，從端為輸入采樣。
• MOSI:主出從入（Master Output Slave Input)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘?，從端為輸入采樣。
• MISO:主入從出(Master Input Slave Output)?？偸怯蓮亩丝刂圃撔盘?，主端為輸入采樣。
• :從選擇信號(Slave Select)?？偸怯芍鞫丝刂圃撔盘枺瑥亩藶檩斎氩蓸?。

要理解上面這幾個信號引腳的內涵，結合時序圖，就比較容易理解了：

數(shù)字電路中，同步電路是一種通過時鐘信號同步存儲元件狀態(tài)變化的數(shù)字電路。

• 主端>從端：

• ：主端發(fā)送低電平先選通從芯片，上面加帽表示低有效。啥意思呢？就是這個腳低電平期間選中從設備，主設備發(fā)送的時序報文對選中的從設備有效，其他掛載在總線上的設備忽略總線報文。
• SCLK/SCK：發(fā)送同步移位時鐘。
• MOSI：將數(shù)據(jù)按照SCLK移位時鐘周期，將數(shù)據(jù)移位發(fā)送至該引腳。被 選中的從設備依照SCLK/SCK上升沿或者下降沿，按位采樣，一般字節(jié)的高位在前，具體須遵從芯片手冊時序定義。從端依賴SCK/SCLK對MOSI上的信號逐位采樣，采樣的位依次進入接收移位寄存器，完成對字節(jié)的重組。當字節(jié)接收完成，再由后續(xù)數(shù)字電路進行處理。后續(xù)處理芯片實現(xiàn)各異，如是一個單片機則可能引發(fā)中斷請求，如是特定功能數(shù)字芯片，則依據(jù)接收報文完成相應的功能處理。

• 從端>主端:

• ：主芯片發(fā)送低電平先選通從芯片。
• SCLK/SCK：發(fā)送同步移位時鐘。
• MISO: 類似MOSI發(fā)送位流，依賴SCLK/SCK將位流依次發(fā)送至引腳上，主設備在同步時鐘的跳變邊沿采樣該引腳，進而移位接收位流。

• 采樣沿：SPI采用邊沿觸發(fā)采樣，對MOSI/MISO上的位序列進行采樣，實際芯片有下面兩種方式：

• CPHA=0，表示上升沿采樣
• CPHA=1，表示下降沿采樣

經(jīng)過這些描述，解釋了串行、同步、主從的概念。

什么是通信？

眾所周知，計算機是一個二進制系統(tǒng)，所有的信息都是基于0/1進行編碼、進行運行管理的。由0/1編碼進而表示字符、文本、文件。那么SPI實現(xiàn)了底層的0/1碼流的傳遞機制，能傳遞0/1，通過應用控制、很自然就能交換信息。

這是否有種一生二、二生三、三生萬物的意思呢？

所以在研究各種通信總線的物理層時，就其本質而言都是界定如何對信息流的基本單元0/1進行編碼、解碼、收發(fā)的。

什么是SPI總線呢？

對于SPI總線而言，有兩種拓撲：

• 獨立片選拓撲：總線拓撲需要更多片選引腳，但通信效率高。信息直接在主從間傳遞
• 菊花鏈拓撲：節(jié)省引腳，但效率較低，數(shù)據(jù)信息傳遞需要級聯(lián)傳遞。

獨立片選拓撲

如上圖：

• 每個從設備都有獨立的片選引腳 ，主機同一時間段內，與一個從設備進行通信，也即選中一個從設備。
• MOSI/MISO/SCLK并聯(lián)在一起
• MISO須是三態(tài)門，當從設備未選中時，該腳須設置為高阻態(tài)，而不能是輸出態(tài)，否則會影響總線，這句話對于多從設備應用而言，請重點理解。尤其當用GPIO模擬SPI應用而言，須特別注意這一點！
• 對于MOSI/SCLK，雖然并聯(lián)在一起，但是由于僅一個輸出，多輸入。輸入引腳的阻抗本來就是高阻，所以不會有問題。

菊花鏈拓撲

有的芯片支持菊花鏈拓撲連接，這是何意呢？啥是菊花鏈呢？在電氣和電子工程中，雛菊鏈是一種布線方案，其中多個設備按順序或按環(huán)連接在一起，類似于雛菊的花環(huán)。其信息傳遞在鏈中流轉。

那么對于SPI總線而言，具體是如何連接的呢？

其本質就是主從級聯(lián)：

• 共用SCLK/ ，這兩根線并聯(lián)在一起
• 主MOSI連次級MOSI，次級MISO連次次級的MOSI....,然后由最后一級的MISO再送回到主設備的MISO。
  
  

• 某級從設備在第N組時鐘周期用MISO發(fā)送第N-1組時鐘周期接收到位給下級設備，同時把本組時鐘周期期間前級設備通過MISO移位進來的數(shù)據(jù)保存按位序保存進接收寄存器中。其實在底層是按照位進行流轉的。這個傳遞過程當 變?yōu)楦唠娖綍r則停止，各從設備當前寄存器中內容鎖定了。具體應用時，如果要將某一字節(jié)傳遞到某個設備，則需要組織好傳遞的碼流，以及時鐘控制。
• 對于菊花鏈數(shù)據(jù)傳遞過程，其實類似于擊鼓傳花游戲。鼓點的作用就是同步時鐘，花則是要傳遞的信息數(shù)據(jù)，鼓點的起停則類似于片選控制，唯一不同的是，擊鼓傳花傳的是一朵花，而菊花鏈總線傳遞的是二進制流，至于從設備究竟要怎么應用這些數(shù)據(jù)流，則具體實現(xiàn)各異。

其實熟悉數(shù)據(jù)結構的同學可能會想，這個拓撲咋很像首尾相連的環(huán)形鏈表呢？確實很像，雖然沒啥直接關系。

引腳的別名

對于SPI的引腳，不同的芯片廠商在DATASHEET上定義的引腳名字可能不同，這里將常見的別名整理一下：

• MOSI主出從入:

• SIMO, MTSR
• SDI, DI, DIN, SI
• SDO, DO, DOUT, SO

• MISO主入從出

• SOMI, MRST
• SDO, DO, DOUT, SO
• SDI, DI, DIN, SI

• 片選

• S?S?, SSEL, CS, C?S?, CE, nSS, /SS, SS

很多功能芯片可能沒有MISO引腳，也即無法支持讀操作，僅僅支持寫入操作。

SPI優(yōu)缺點

優(yōu)勢：

• 傳輸速度高，SPI并未限定最高速度。有的應用甚至高達10Mbps。
• 全雙工，但有的芯片沒有MISO，則不支持。
• 相較于I2C而言，SPI簡單一些，編程容易，控制簡單
• 信號為單向信號，易于電隔離。尤其在工業(yè)產(chǎn)品中電氣隔離在抗干擾方面、以及本質安全方面要求比較高。
• 沒有復雜的總線仲裁機制，相對健壯。

劣勢：

• 無尋址機制，需要額外的片選信號
• SPI總線對于多從模式支持不好，兩種拓撲都無法支持很多從設備，而且系統(tǒng)中也僅有一個主設備
• 沒有定義錯誤檢測機制
• 事實上的標準，但無正式標準
• 與I2C一樣也只是芯片間總線，無法長距離通信

總結一下

或許有人會說I2C比SPI更好更為優(yōu)越，SPI則相對簡單粗暴。事實上做這樣的對比，個人認為是沒什么意義。

這兩種協(xié)議在魯棒性方面都比較好。I2C之所以優(yōu)雅，是因為它在極簡的基礎架構（兩線SDA/SCL）上提供了非常先進的功能，例如自動多主機沖突處理和內置地址管理。但是它相對卻非常復雜，在性能上或許有所欠缺。

另一方面，SPI非常易于理解和實施，并且為擴展提供了很大的靈活性。SPI的優(yōu)雅之處在于簡單性。SPI應該被視為構建用于IC之間通信的自定義協(xié)議棧的良好接口。因此，盡管使用SPI可能需要做更多的工作，但可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸性能和靈活的自由度。

如果一定要比較，則SPI和I2C都為低速設備的通信提供了良好的接口支持，但是SPI更適合點對點傳輸數(shù)據(jù)流的應用，而I2C則更適合于多主機“寄存器訪問”應用。

正確使用這兩種協(xié)議可提供相同級別的魯棒性，芯片廠商對兩種接口都廣泛支持。市面上提供了大量的外圍芯片，比如 EEPROM，ADC，DAC，RTC，微控制器，傳感器，LCD控制器，這些芯片主要提供I2C，SPI或同時支持這2個接口。

      

       

        

         

          

           
            

             

              

               

                

                 

                  

                   

                    
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