干貨：SPI總線要點總結

SPI相對I2C而言，比較簡單。本文來總結一下SPI總線個人認為比較重要的一些技術要點。

什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一種嵌入式系統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，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)。總是由主端控制該信號，從端為輸入采樣。

MOSI:主出從入（Master Output Slave Input)。總是由主端控制該信號，從端為輸入采樣。

MISO:主入從出(Master Input Slave Output)。總是由從端控制該信號，主端為輸入采樣。

SS:從選擇信號(Slave Select)。總是由主端控制該信號，從端為輸入采樣。

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變化的數字電路。

主端>從端：

SS:主端發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：發送同步移位時鐘。

MOSI：將數據按照SCLK移位時鐘周期，將數據移位發送至該引腳。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，完成對字節的重組。

當字節接收完成，再由后續數字電路進行處理。后續處理芯片實現各異，如是一個單片機則可能引發中斷請求，如是特定功能數字芯片，則依據接收報文完成相應的功能處理。

從端>主端:

SS:主芯片發送低電平先選通從芯片。

SCLK/SCK：發送同步移位時鐘。

MISO: 類似MOSI發送位流，依賴SCLK/SCK將位流依次發送至引腳上，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，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：節省引腳，但效率較低，數據信息傳遞需要級聯傳遞。

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并聯在一起

MISO須是三態門，當從設備未選中時，該腳須設置為高阻態，而不能是輸出態，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連接在一起，類似于雛菊的花環。其信息傳遞在鏈中流轉。

SPI優缺點

優勢：

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。尤其在工業產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

或許有人會說I2C比SPI更好更為優越，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。

這兩種協議在魯棒性方面都比較好。I2C之所以優雅，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。