原文授權(quán)自公眾號(hào)：硬件筆記本

大家好，今天咱們來(lái)詳細(xì)聊聊SPI接口，文章內(nèi)容有點(diǎn)多，建議先收藏起來(lái)再慢慢看。

SPI現(xiàn)在已經(jīng)成為MCU和外圍設(shè)備之間最常用的通信方式了。它是一種同步、全雙工、主從式的通信接口。工作原理其實(shí)很直接：主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，從機(jī)跟著這個(gè)時(shí)鐘同步收發(fā)數(shù)據(jù)。允許雙向傳輸，可以在同一時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行主從設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

這種設(shè)計(jì)讓SPI既簡(jiǎn)單又高效，特別適合需要快速傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。不過(guò)要注意的是，SPI沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，不同廠家的設(shè)備可能會(huì)有差異，所以用的時(shí)候一定要仔細(xì)看芯片手冊(cè)。

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典型應(yīng)用場(chǎng)景

SPI接口的核心優(yōu)勢(shì)在于它的簡(jiǎn)單性和靈活性，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括：

1、傳感器數(shù)據(jù)采集（如溫度傳感器、IMU），例如：TMP124芯片，它是由TI推出的工業(yè)級(jí)數(shù)字溫度傳感器，主打高精度+SPI接口組合，適合對(duì)測(cè)溫有嚴(yán)苛要求的場(chǎng)景。

2、存儲(chǔ)器讀寫（Flash、EEPROM），比如小容量的AT25040，常用來(lái)存儲(chǔ)配置參數(shù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換（ADC/DAC）。比如通用ADC芯片MCP4921，它是Microchip推出的低成本12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，主打簡(jiǎn)單易用+SPI接口組合，適合需要數(shù)字控制模擬輸出的場(chǎng)景。

4、顯示驅(qū)動(dòng)（OLED、TFT屏幕），例如咱們常用的0.96寸OLED屏，一般有I2C和SPI兩種接口，雖然SPI多占用兩個(gè)IO口，但速度比I2C快很多。

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SPI的連接方式和工作速度

連接方式

SPI接口可以是3線式或4線式，這里主要介紹常用的4線SPI接口，4線SPI器件有四個(gè)信號(hào)：

片選(CS)：片選信號(hào)，低電平有效

時(shí)鐘(SPI CLK, SCLK)：時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)產(chǎn)生

MOSI：主機(jī)輸出，從機(jī)輸入

MISO主機(jī)輸入，從機(jī)輸出

主機(jī)和從機(jī)之間的SPI連接 這里要注意一下，主機(jī)和從機(jī)的MOSI和MISO的接線，這個(gè)跟串口TX，RX不一樣，很多人容易搞錯(cuò)，主機(jī)的MISO接從機(jī)的MISO，主機(jī)的MOSI接從機(jī)的MOSI，直連不交叉。 那怎么判斷哪個(gè)是主機(jī)呢？咱們產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件稱為主機(jī)。主機(jī)和從機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘同步。另外SPI接口只能有一個(gè)主機(jī)，但可以有一個(gè)或多個(gè)從機(jī)。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本 來(lái)自主機(jī)的片選信號(hào)用于選擇從機(jī)。這通常是一個(gè)低電平有效信號(hào)，拉高時(shí)從機(jī)與SPI總線斷開(kāi)連接。當(dāng)使用多個(gè)從機(jī)時(shí)，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào)。

工作速度

SPI速度的典型范圍：1 MHz至100 MHz（4 Mbps至400 Mbps），具體速率取決于器件等級(jí)：

消費(fèi)級(jí)IC：1-10 MHz（4-40 Mbps） 工業(yè)級(jí)器件：10-25 MHz（40-100 Mbps） 但咱們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，會(huì)受限于外設(shè)支持（如Flash芯片可達(dá)80 MHz，傳感器通常8 MHz）

這里再插一句，對(duì)比I2C來(lái)說(shuō)，I2C速度就低太多了：標(biāo)準(zhǔn)模式100Kbps，高速模式5Mbps（理論值），但是I2C會(huì)少占用兩個(gè)IO口，所以I2C速度勝在省引腳，SPI贏在速度快。

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數(shù)據(jù)傳輸

SPI的數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)過(guò)程是這樣的：

首先，作為主控的設(shè)備要產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)（SCLK），這個(gè)信號(hào)就像通信的節(jié)拍器。同時(shí)，主機(jī)要通過(guò)拉低片選信號(hào)（CS）來(lái)選中要通信的從設(shè)備，這個(gè)CS信號(hào)通常是低電平有效，所以主機(jī)要給它一個(gè)邏輯0。

SPI最厲害的地方在于它是全雙工的，這意味著主機(jī)可以通過(guò)MOSI線往外發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，從設(shè)備也能通過(guò)MISO線往主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，兩邊是同時(shí)進(jìn)行的。具體來(lái)說(shuō)，主機(jī)把數(shù)據(jù)一位一位地放到MOSI線上移出去，同時(shí)又在MISO線上一位一位地收數(shù)據(jù)。

所有這些數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是嚴(yán)格跟著時(shí)鐘信號(hào)的邊沿走的，你可以選擇在時(shí)鐘的上升沿或者下降沿來(lái)采樣數(shù)據(jù)。至于每次通信要傳多少位數(shù)據(jù)，這個(gè)得看具體器件的規(guī)格書(shū)，不同芯片的要求可能不一樣。

咱們來(lái)看兩張動(dòng)圖

這個(gè)過(guò)程中要注意三點(diǎn)：

1、是時(shí)鐘必須由主機(jī)產(chǎn)生；

2、CS信號(hào)要提前拉低選中從機(jī)；

3、數(shù)據(jù)的收發(fā)是同步進(jìn)行的，不是先發(fā)后收或者先收后發(fā)。這種設(shè)計(jì)讓SPI既簡(jiǎn)單又高效，特別適合需要快速傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

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工作模式

SPI有4種工作模式，主要通過(guò)CPOL和CPHA兩個(gè)參數(shù)來(lái)配置：

如下是SPI模式0的時(shí)序圖。

傳輸?shù)拈_(kāi)始和結(jié)束用綠色虛線表示；采樣邊沿用橙色虛線表示；移位邊沿用藍(lán)色虛線表示。當(dāng)然，這些圖形僅供參考。要成功進(jìn)行SPI通信，必須參閱器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)并確保滿足器件的時(shí)序規(guī)格。

如下是SPI模式1的時(shí)序圖。此時(shí)：

時(shí)鐘極性為0，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為低電平；

時(shí)鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

如下是SPI模式2的時(shí)序圖。此時(shí)：

時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平。

時(shí)鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

如下是SPI模式3的時(shí)序圖。此時(shí)：

時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平。

時(shí)鐘相位為0，表示數(shù)據(jù)在上升沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

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多從機(jī)配置

咱們的多個(gè)從機(jī)可與單個(gè)SPI主機(jī)一起使用。從機(jī)可以采用常規(guī)模式連接，或采用菊花鏈模式連接。

常規(guī)SPI模式：

在咱們SPI常規(guī)連接模式下，咱們主機(jī)必須為每個(gè)從設(shè)備單獨(dú)配備一個(gè)片選信號(hào)線（CS）。當(dāng)主機(jī)將某個(gè)從機(jī)的CS信號(hào)拉低時(shí)，這個(gè)從機(jī)就被選中，此時(shí)MOSI和MISO線上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)就可以和這個(gè)特定的從機(jī)進(jìn)行通信。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本

這里有個(gè)重要限制：同一時(shí)間只能有一個(gè)從機(jī)的CS信號(hào)被拉低，如果同時(shí)拉低多個(gè)CS信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致多個(gè)從機(jī)同時(shí)在MISO線上返回?cái)?shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)沖突，主機(jī)就無(wú)法分辨這些數(shù)據(jù)到底來(lái)自哪個(gè)從機(jī)。

隨著系統(tǒng)連接的從機(jī)數(shù)量增多，主機(jī)需要提供的片選線數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。比如連接8個(gè)從機(jī)就需要8根獨(dú)立的CS線，這會(huì)快速占用主機(jī)的IO口資源，從而限制了系統(tǒng)能夠支持的從機(jī)數(shù)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用一些擴(kuò)展技術(shù)，比如使用多路復(fù)用器（MUX）來(lái)產(chǎn)生片選信號(hào)。不過(guò)這種方案會(huì)增加一些硬件復(fù)雜度，需要額外添加多路復(fù)用器芯片。

菊花鏈模式：

在SPI菊花鏈連接方式下，所有從設(shè)備共享同一個(gè)片選信號(hào)（CS），從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)。具體工作過(guò)程是：主機(jī)發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)（SCLK）后，數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)降谝粋€(gè)從機(jī)，第一個(gè)從機(jī)將數(shù)據(jù)提供給第二個(gè)從機(jī)，這樣依次傳遞下去。所有從機(jī)都使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步。

這種連接方式的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸需要更多的時(shí)鐘周期。如下圖，比如在一個(gè)8位數(shù)據(jù)寬度的系統(tǒng)中，如果要讓第三個(gè)從機(jī)收到數(shù)據(jù)，就需要24個(gè)時(shí)鐘脈沖（3個(gè)從機(jī)×8位），而在常規(guī)SPI模式下只需要8個(gè)時(shí)鐘脈沖。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)需要依次通過(guò)每個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

菊花鏈配置：數(shù)據(jù)傳播

需要注意的是，不是所有SPI設(shè)備都支持菊花鏈模式。在使用這種連接方式前，必須仔細(xì)查看所用芯片的技術(shù)手冊(cè)，確認(rèn)其是否支持菊花鏈功能。有些芯片可能只支持常規(guī)的獨(dú)立片選模式。此外，菊花鏈模式雖然節(jié)省了片選信號(hào)線，但會(huì)降低通信效率，因此要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求權(quán)衡選擇。

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總結(jié)

SPI接口雖然簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中需要注意很多細(xì)節(jié)：

1、接線要正確（直連不交叉）；

2、模式要匹配（看器件手冊(cè)）；

3、多從機(jī)時(shí)要合理選擇連接方式。

記住這些要點(diǎn)，就能用好SPI接口啦！如果遇到問(wèn)題，最靠譜的辦法就是查閱器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

原文授權(quán)自公眾號(hào)：硬件筆記本 特此鳴謝！

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