正文

SPI通信在嵌入式领域被广泛应用，相对于串口、IIC等通信方式，SPI通信以其高速和高效率的串行接口技术而著称。

然而，在最近的新项目开发中，使用SPI通信却遇到了一些问题。在这个过程中，涉及了许多技术细节和知识点，因此今天bug菌将结合最近的使用经验和在SPI通信中遇到的问题总结和记录，一起来避免出现问题。

本文主要是基础巩固篇：

通信形式

SPI是一种全双工、同步串行的通信方式，全双工和半双工表示数据在某一时刻的流动形式。全双工意味着同时可以进行双向数据传输，而半双工则在一个时刻只能进行接收或发送。通常情况下，全双工需要两条独立的通信线路，而半双工则共用同一条线路。

从SPI通信接线图可以看出，MOSI用于主机数据输出，从机数据输入，MISO引脚的数据流则刚好与之相反，所以数据流收发是走的两条独立的线路，从而可实现全双工通信模式，当然你也可以用于只用于单向数据传输，比如省略掉MISO仅主机传输从机数据等。

SPI通信有一个SCLK时钟线作为通信的同步信号，用来标定数据在MOSI和MISO引脚上的传输情况，SCLK是由主机来控制提供，从机检测识别，从而同步完成数据传输。

片选信号CS引脚，还记得有一次面试问片选信号CS英文是什么？英文直译即可–Chip Select。

片选信号在大部分数字芯片都有存在，外界给该引脚相应的电平即可选中，相当于一个”总开关”，大部分从设备都是低电平被选中（电路图中通常在CS上划线标识），如果一直被选中则直接接地即可；当然也有少部分高电平选中则可直接接到VCC，切记不可悬空，以免异常。

这样看SPI的通信线路非常简单，没有繁杂的线路硬件也省了不少事，但很多朋友包括bug菌曾经因为把主机的MOSI接到从机的MISO而折腾得不轻，都是惯性思维惹的祸，一定要记住是对应引脚相连。

通信线路

SPI是一种主从通信方式，在SPI通信总线上通常只有一个主机，一切通信的开始都是以主机发起，那如果在一条总线上与多个从设备通信呢？下面以两个从机为例，更多的从机也是类似的。

通过不同的片选引脚来选中不同的从设备，从而完成一对多的通信过程。通常多从机的情况都会采用多余的IO口连接从设备的片选引脚，以便分时控制从设备，达到一主多从机的主从控制方式。

当然如果独立的IO口引脚有限，可以采用IO口扩展芯片进行选中，也是比较方便的。

通信数据

SPI通信是一种交换数据的形式，主机根据SCLK时钟把数据从MOSI引脚按bit位发送的同时，从机也以相同的速率把数据从MISO引脚传输，其传输数据形式如下:

从SPI通信数据流图可以看出其发送与接收形成了一个封闭的环，所要传输的数据像水在一根管道内循环流动，所以其硬件线路上并没有像I2C那样有所谓的应答机制，通信效率上提高不少，但数据可靠性也会有一定的减弱。

前面bug也谈到SPI是一种主从通信机制，那么使得“管子”内数据流涌动的源泉一方面需要SPI的SCLK时钟保持好节奏，另一方面就是需要主机来推动，所以如果master只是想获取slave的数据，也需要发送空数据来使得整个数据流动起来，从而获得从机的数据。

细心的朋友应该注意到上图中MSB和LSB方向了，通常SPI通信都是以MSB来进行发送，但像stm32芯片这样的芯片可以设置是LSB先发送还是MSB先发送。

所以在分析SPI通信数据的时候这些数据都是需要提前了解的。

通信电平

SPI比较麻烦点的就是时钟极性和时钟相位的确定了，但再怎么麻烦也就确定了4种模式。

如下是4种模式的时序图，其中CPOL(Clock Polarity)表示时钟极性，CPHA(Clock Phase)表示时钟相位。

从图中我们可以分析得到:

1、CPOL和CPHA共同决定数据的采集方式。

2、CPOL决定了SCLK默认状态，当CPOL=0，时钟空闲时是低电平；当CPOL=1，时钟空闲时为高电平。

3、CPHA决定了数据在第几个跳变沿采集，当CPHA=0，在SCLK第一个跳变沿采集稳定数据；当CPHA=1，在SCLK第二个跳变沿采集稳定数据。

每个bit的数据交换，都是在电平稳定的时候进行数据电平采集，在电平变化的时候进行数据发送，一般从设备像高精度ADC等等，出厂就已经是固定了某种模式，我们需要做的就是通过配置可编程的主机SPI外设在相同的一种频率和模式下通信，否则就是造成数据错乱。

现在比较流行库开发，很多外设使用案例直接可以拿过来用，或者尝试着调整几个参数就可以了，似乎不需要懂太多的原理，但这样的学习终究只是把芯片玩起来了，要做到一通百通还是得从最原始的理论出发，只有把握住这些重点才能在项目开发的过程中直面问题并搞定它。

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