一文搞懂SPI通信協議
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簡介
SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是美國摩托羅拉公司（Motorola）最先推出的一種同步串行傳輸規范，也是一種單片機外設芯片串行擴展接口，是一種高速、全雙工、同步通信總線，所以可以在同一時間發送和接收數據，SPI沒有定義速度限制，通常能達到甚至超過10M/bps。
SPI有主、從兩種模式，通常由一個主模塊和一個或多個從模塊組成（SPI不支持多主機），主模塊選擇一個從模塊進行同步通信，從而完成數據的交換。提供時鐘的為主設備（Master），接收時鐘的設備為從設備（Slave），SPI接口的讀寫操作，都是由主設備發起，當存在多個從設備時，通過各自的片選信號進行管理。
SPI通信原理很簡單，需要至少4根線，單向傳輸時3根線，它們是MISO（主設備數據輸入）、MOSI（主設備數據輸出）、SCLK（時鐘）和CS/SS（片選）：
MISO（ Master Input Slave Output）：主設備數據輸入，從設備數據輸出；
MOSI（Master Output Slave Input）：主設備數據輸出，從設備數據輸入；
SCLK（Serial Clock）：時鐘信號，由主設備產生；
CS/SS（Chip Select/Slave Select）：從設備使能信號，由主設備控制，一主多從時，CS/SS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號，只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電位或低電位），主芯片對此從芯片的操作才有效。
一主設備一從設備模式
一主設備多從設備模式
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通信原理
SPI主設備和從設備都有一個串行移位寄存器，主設備通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節來發起一次傳輸。
SPI數據通信的流程可以分為以下幾步：
1、主設備發起信號，將CS/SS拉低，啟動通信。
2、主設備通過發送時鐘信號，來告訴從設備進行寫數據或者讀數據操作（采集時機可能是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低），因為SPI有四種模式，后面會講到），它將立即讀取數據線上的信號，這樣就得到了一位數據（1bit）。
3、主機（Master）將要發送的數據寫到發送數據緩存區（Menory），緩存區經過移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機配置），串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節一位一位的移出去傳送給從機，同時MISO接口接收到的數據經過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區。
4、從機（Slave）也將自己的串行移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機配置）中的內容通過MISO信號線返回給主機。同時通過MOSI信號線接收主機發送的數據，這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。
例如，下圖示例中簡單模擬SPI通信流程，主機拉低NSS片選信號，啟動通信，并且產生時鐘信號，上升沿觸發邊沿信號，主機在MOSI線路一位一位發送數據0X53，在MISO線路一位一位接收數據0X46，如下圖所示：
這里有一點需要著重說明一下：SPI只有主模式和從模式之分，沒有讀和寫的說法，外設的寫操作和讀操作是同步完成的。若只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節（虛擬數據）；反之，若主機要讀取從機的一個字節，就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸。也就是說，你發一個數據必然會收到一個數據；你要收一個數據必須也要先發一個數據。
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通信特性
3.1、設備選擇
SPI是單主設備（Single Master）通信協議，只有一支主設備能發起通信，當SPI主設備想讀/寫從設備時，它首先拉低從設備對應的SS線（SS是低電平有效）。接著開始發送工作脈沖到時鐘線上，在相應的脈沖時間上，主設備把信號發到MOSI實現“寫”，同時可對MISO采樣而實現“讀”。如下圖所示：
3.2、設備時鐘
SPI時鐘特點主要包括：時鐘速率、時鐘極性和時鐘相位三方面。
3.2.1、時鐘速率
SPI總線上的主設備必須在通信開始時候配置并生成相應的時鐘信號。從理論上講，只要實際可行，時鐘速率就可以是你想要的任何速率，當然這個速率受限于每個系統能提供多大的系統時鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。
3.2.2、時鐘極性
根據硬件制造商的命名規則不同，時鐘極性通常寫為CKP或CPOL。時鐘極性和相位共同決定讀取數據的方式，比如信號上升沿讀取數據還是信號下降沿讀取數據。
CKP可以配置為1或0。
這意味著你可以根據需要將時鐘的默認狀態（IDLE）設置為高或低。極性反轉可以通過簡單的邏輯逆變器實現。你必須參考設備的數據手冊才能正確設置CKP和CKE。
CKP = 0：時鐘空閑IDLE為低電平 0；
CKP = 1：時鐘空閑IDLE為高電平1。
3.2.3、時鐘相位
根據硬件制造商的不同，時鐘相位通常寫為CKE或CPHA。顧名思義，時鐘相位/邊沿，也就是采集數據時是在時鐘信號的具體相位或者邊沿。
CKE = 0：在時鐘信號SCK的第一個跳變沿采樣；
CKE = 1：在時鐘信號SCK的第二個跳變沿采樣。
3.3、四種模式
根據SPI的時鐘極性和時鐘相位特性可以設置4種不同的SPI通信操作模式，它們的區別是定義了在時鐘脈沖的哪條邊沿轉換（toggles）輸出信號，哪條邊沿采樣輸入信號，還有時鐘脈沖的穩定電平值（就是時鐘信號無效時是高還是低），詳情如下所示：
Mode0：CKP=0，CKE =0：當空閑態時，SCK處于低電平，數據采樣是在第1個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在上升沿（準備數據），（發送數據）數據發送是在下降沿。
Mode1：CKP=0，CKE=1：當空閑態時，SCK處于低電平，數據發送是在第2個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在下降沿，數據發送是在上升沿。
Mode2：CKP=1，CKE=0：當空閑態時，SCK處于高電平，數據采集是在第1個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在下降沿，數據發送是在上升沿。
Mode3：CKP=1，CKE=1：當空閑態時，SCK處于高電平，數據發送是在第2個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在上升沿，數據發送是在下降沿。
黑線為采樣數據的時刻，藍線為SCK時鐘信號
舉個例子，下圖是SPI Mode0讀/寫時序，可以看出SCK空閑狀態為低電平，主機數據在第一個跳變沿被從機采樣，數據輸出同理。
下圖是SPI Mode3讀/寫時序，SCK空閑狀態為高電平，主機數據在第二個跳變沿被從機采樣，數據輸出同理。
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多從機模式
有兩種方法可以將多個從設備連接到主設備：多片選和菊花鏈。
通常，每個從機都需要一條單獨的SS線。如果要和特定的從機進行通訊，可以將相應的NSS信號線拉低，并保持其他SS信號線的狀態為高電平；如果同時將兩個SS信號線拉低，則可能會出現亂碼，因為從機可能都試圖在同一條MISO線上傳輸數據，最終導致接收數據亂碼。
菊花鏈的最大缺點是信號串行傳輸，一旦數據鏈路中的某設備發生故障的時候，它下面優先級較低的設備就不可能得到服務了。另一方面，距離主機越遠的從機，獲得服務的優先級越低，所以需要安排好從機的優先級，并且設置總線檢測器，如果某個從機超時，則對該從機進行短路，防止單個從機損壞造成整個鏈路崩潰的情況。
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SPI優缺點
優點
無起始位和停止位，因此數據位可以連續傳輸而不會被中斷；
沒有像I2C這樣復雜的從設備尋址系統；
數據傳輸速率比I2C更高（幾乎快兩倍）；
分離的MISO和MOSI信號線，因此可以同時發送和接收數據；
極其靈活的數據傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；
非常簡單的硬件結構。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機使用主機時鐘，不需要精密時鐘振蕩器/晶振（與UART不同）。不需要收發器（與CAN不同）。
缺點
使用四根信號線（I2C和UART使用兩根信號線）；
無法確認是否已成功接收數據（I2C擁有此功能）；
沒有任何形式的錯誤檢查，如UART中的奇偶校驗位；
只允許一個主設備；
沒有硬件從機應答信號（主機可能在不知情的情況下無處發送）；
沒有定義硬件級別的錯誤檢查協議；
與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離；
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