SPI總線協議及SPI時序圖詳解

SPI，是英語Serial Peripheral Interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議。
SPI是一個環形總線結構，由ss(cs)、sck、sdi、sdo構成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。

上升沿發送、下降沿接收、高位先發送。
上升沿到來的時候，sdo上的電平將被發送到從設備的寄存器中。
下降沿到來的時候，sdi上的電平將被接收到主設備的寄存器中。

假設主機和從機初始化就緒：并且主機的sbuff=0xaa (10101010)，從機的sbuff=0x55 (01010101)，下面將分步對spi的8個時鐘周期的數據情況演示一遍(假設上升沿發送數據)。

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脈沖 主機sbuff 從機sbuff sdi sdo
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0 00-0 10101010 01010101 0 0
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1 0--1 0101010x 10101011 0 1
1 1--0 01010100 10101011 0 1
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2 0--1 1010100x 01010110 1 0
2 1--0 10101001 01010110 1 0
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3 0--1 0101001x 10101101 0 1
3 1--0 01010010 10101101 0 1
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4 0--1 1010010x 01011010 1 0
4 1--0 10100101 01011010 1 0
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5 0--1 0100101x 10110101 0 1
5 1--0 01001010 10110101 0 1
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6 0--1 1001010x 01101010 1 0
6 1--0 10010101 01101010 1 0
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7 0--1 0010101x 11010101 0 1
7 1--0 00101010 11010101 0 1
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8 0--1 0101010x 10101010 1 0
8 1--0 01010101 10101010 1 0
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這樣就完成了兩個寄存器8位的交換，上面的0--1表示上升沿、1--0表示下降沿，sdi、 sdo相對于主機而言的。根據以上分析，一個完整的傳送周期是16位，即兩個字節，因為，首先主機要發送命令過去，然后從機根據主機的名準備數據，主機在下一個8位時鐘周期才把數據讀回來。
SPI總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCK，一條數據輸入線MOSI，一條數據輸出線MISO;用于 CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。

SPI主要特點有:可以同時發出和接收串行數據;可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發送結束中斷標志;寫沖突保護;總線競爭保護等。

SPI總線有四種工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3)，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式。

SPI模塊為了和外設進行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性(CPOL)對傳輸協議沒有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態為高電平。時鐘相位(CPHA)能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協議之一進行數據傳輸。如果 CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿(上升或下降)數據被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿(上升或下降)數據被采樣。 SPI主模塊和與之通信的外設音時鐘相位和極性應該一致。

SPI時序圖詳解-SPI接口在模式0下輸出第一位數據的時刻

SPI接口在模式0下輸出第一位數據的時刻

SPI接口有四種不同的數據傳輸時序，取決于CPOL和CPHL這兩位的組合。圖1中表現了這四種時序，
時序與CPOL、CPHL的關系也可以從圖中看出。


圖1

CPOL是用來決定SCK時鐘信號空閑時的電平，CPOL＝0，空閑電平為低電平，CPOL＝1時，
空閑電平為高電平。CPHA是用來決定采樣時刻的，CPHA=0，在每個周期的第一個時鐘沿采樣，
CPHA＝1，在每個周期的第二個時鐘沿采樣。