干货 | 一文了解SPI总线工作原理、优缺点和应用案例

当将微控制器连接到传感器、显示器或其他模块时，您是否考虑过两个设备之间如何进行通信？它们到底在交流什么？它们又是如何能够相互理解的呢？

电子设备之间的通信就像人类之间的交流一样，双方都需要使用相同的语言。在电子学中，这种语言被称为通信协议。幸运的是，在构建大多数DIY电子项目时，我们只需要了解一些通信协议的基础知识。在本系列文章中，我们将讨论三种最常见协议的基础知识：串行外设接口（SPI），内部集成电路（I2C）和通用异步接收器/发送器（UART）。

首先，我们会先从一些关于电子通信的基本概念开始，然后详细解释SPI的工作原理。

与USB、以太网、蓝牙和WiFi等协议相比，SPI、I2C和UART的速度要慢得多，但它们更简单并且使用的硬件和系统资源更少。SPI、I2C和UART非常适合微控制器之间以及微控制器与传感器之间的通信，特别是在传输小量且不需要高速数据的传感器数据时。

串行与并行通信

电子设备通过物理连接在设备之间的导线发送数据位来相互通信，有点像一个字母中的字母，除了26个字母（英文字母表中），一个位是二进制的，只能是1或0。通过电压的快速变化，位从一个设备传输到另一个设备。在工作电压为5V的系统中，0位作为0V的短脉冲通信，1位通过5V的短脉冲通信。

数据位可以并行或串行形式传输。在并行通信中，数据位是同时发送的，每个都通过单独的线路。下图显示了二进制（01000011）中字母“C”的并行传输：

在串行通信中，通过单线逐个发送这些位。下图显示了二进制（01000011）中字母“C”的串行传输：

SPI通信简介

许多设备都采用了SPI通用通信协议。例如，SD卡模块，RFID读卡器模块和2.4 GHz无线发送器/接收器都使用SPI与微控制器通信。

SPI的一个独特优势是可以不间断地传输数据。可以连续流发送或接收任意数量的比特。使用I2C和UART，数据以数据包形式发送，限制为特定的位数。启动和停止条件定义每个数据包的开始和结束，因此数据在传输过程中会被中断。

通过SPI通信的设备处于主从关系。主设备是控制设备（通常是微控制器），而从设备（通常是传感器，显示器或存储器芯片）接收来自主设备的指令。最简单的SPI配置是单主机，单从机系统，但是一个主机可以控制多个从机（下面将详细介绍）。

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间。

（1）MISO– Master Input Slave Output,主设备数据输入，从设备数据输出；

（2）MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；

（3）SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；

（4）CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。

*实际上，从设备的数量受到系统负载电容的限制，受主设备在电压电平之间精确切换的能力。

SPI如何工作

时钟
时钟信号将来自主设备的数据位输出与从设备的位采样同步。在每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度由时钟信号的频率决定。由于主设备配置并生成时钟信号，因此SPI时钟始终为主设备的时钟。

设备共享时钟信号的任何通信协议称为同步。SPI是一种同步通信协议，还有一些不使用时钟信号的异步方法。例如，在UART通信中，双方都设置为预先配置的波特率，该波特率决定数据传输的速度和时间。

SPI中的时钟信号可以使用时钟极性和时钟相位属性进行修改。这两个属性协同工作以定义何时输出以及何时对它们进行采样。时钟极性可由主机设置，以允许在时钟周期的上升沿或下降沿输出和采样。时钟相位也可以由主机设置，以便在时钟周期的第一个边沿或第二个边沿上进行输出和采样，无论是上升还是下降。

从设备选择
主设备可以通过将从设备的CS / SS线设置为低电压电平来选择要通话的从设备。在空闲非传输状态中，从选择线保持在高电压电平。主机上可能有多个CS / SS引脚，以允许多个从机并联连接。如果只有一个CS/SS引脚，则可以通过菊花链将多个从器件连接到主器件。

多个从设备
SPI可以设置为使用单个主设备和单个从设备进行操作，也可以设置通过单个主设备控制多个从设备。有两种方法可以将多个从站连接到主站。如果主机有多个从机选择引脚，则从机可以并联连接，如下所示：

如果只有一个从选择引脚可用，则从器件可以菊花链式连接，如下所示：

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MOSI和MISO**
主机通过MOSI线串行发送数据到从机。从器件接收MOSI引脚上的主器件发送的数据。从主设备发送到从设备的数据通常首先以最高有效位发送。

从机还可以通过串行的MISO线路将数据发送回主机。从从设备发送回主设备的数据通常首先以最低有效位发送。

SPI数据传输步骤
1.主机输出时钟信号：

2.主器件将SS / CS引脚切换到低电压状态，从而激活从器件：

3.主机沿MOSI线一次一位地向从机发送数据。从机在接收到的位时读取这些位：

4.如果需要响应，从站将沿着MISO线一次一位地向主站返回数据。主机在接收到的位时读取这些位：

SPI的优点和缺点

使用SPI有一些优点和缺点，如果在不同的通信协议之间进行选择，您应该根据项目的要求知道何时使用SPI：

优点
没有启动和停止位，因此数据可以连续流式传输而不会中断
没有复杂的从机寻址系统，如I2C
比I2C更高的数据传输速率（几乎快两倍）
单独的MISO和MOSI线，因此可以同时发送和接收数据

缺点
使用四根线（I2C和UART使用两根）
无法确认数据已成功接收（I2C已执行此操作）
没有错误检查，如UART中的奇偶校验位
仅允许单个主机

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