SPI通信协议详解
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的串行通信协议，由摩托罗拉（Motorola）公司开发，广泛应用于短距离设备间通信（如微控制器与传感器、EEPROM、显示屏等外设的连接）。其核心特点是通过少数几根线实现高速数据传输，结构简单且灵活。
一、SPI 协议的基本结构
SPI 通信涉及一个主设备（Master） 和一个或多个从设备（Slave），采用 “主从模式” 工作（主设备主动发起通信，从设备被动响应）。
核心信号线包括 4 根（部分场景可简化）：
SCK | Serial Clock | 串行时钟线，由主设备产生，用于同步主从设备的数据传输节奏（决定通信速率）。 |
MOSI | Master Out Slave In | 主设备输出、从设备输入线，主设备通过此线向从设备发送数据。 |
MISO | Master In Slave Out | 主设备输入、从设备输出线，从设备通过此线向主设备返回数据。 |
SS/CS | Slave Select/Chip Select | 从设备选择线（低电平有效），主设备通过拉低某从设备的 SS 线选中该设备进行通信（多从设备时必备）。 |
二、SPI 通信的核心原理
1. 同步通信机制
SPI 是同步通信，数据传输由主设备产生的 SCK 时钟信号同步：
- 主设备控制 SCK 的频率（通常可配置，如 1MHz~100MHz），决定通信速度。
- 数据在 SCK 的特定边沿（上升沿或下降沿）被采样或发送，主从设备需约定一致的时钟极性和相位（见下文 “时序模式”）。
2. 全双工数据传输
SPI 支持全双工通信，主从设备可同时发送和接收数据：
- 数据通过 MOSI 和 MISO 线同时传输，传输单位为 “字节（8 位）” 或 “位（可自定义）”。
- 传输过程类似 “移位寄存器”：主设备发送 1 位数据到 MOSI 的同时，从设备通过 MISO 返回 1 位数据，8 个时钟周期后完成 1 字节的双向传输。
3. 从设备选择（SS/CS 线的作用）
- 当系统存在多个从设备时，每个从设备都有独立的 SS 线，主设备通过拉低目标从设备的 SS 线（置为低电平）选中它，未被选中的从设备 SS 线为高电平，不响应通信。
- 若只有一个从设备，SS 线可固定接低电平（简化电路）。
三、SPI 的时序模式（时钟极性与相位）
SPI 的时序由时钟极性（CPOL） 和时钟相位（CPHA） 定义，共 4 种组合（称为 SPI 模式），主从设备必须使用相同的模式才能正常通信。
0 | 0 | 0 | SCK 空闲时为低电平（0），数据在 SCK 的上升沿采样，下降沿发送。 |
1 | 0 | 1 | SCK 空闲时为低电平（0），数据在 SCK 的下降沿采样，上升沿发送。 |
2 | 1 | 0 | SCK 空闲时为高电平（1），数据在 SCK 的下降沿采样，上升沿发送。 |
3 | 1 | 1 | SCK 空闲时为高电平（1），数据在 SCK 的上升沿采样，下降沿发送。 |
- CPOL：定义 SCK 在空闲状态（无数据传输时）的电平（0 = 低电平，1 = 高电平）。
- CPHA：定义数据采样的时刻（0 = 第 1 个边沿采样，1 = 第 2 个边沿采样）。
示例（模式 0 的时序）：
- SCK 空闲时为低电平（CPOL=0）。
- 主设备拉低 SS 线选中从设备，启动通信。
- 主设备发送 SCK 时钟，在 SCK 的上升沿（从低到高）采样 MISO 上的数据（读取从设备发送的位），在下降沿（从高到低）通过 MOSI 发送数据位。
- 8 个时钟周期后，主设备拉高 SS 线，结束通信。
四、SPI 的通信流程（单字节传输示例）
以 “模式 0” 和 “单个从设备” 为例，流程如下：
- 主设备拉低从设备的 SS 线（选中设备）。
- 主设备产生 SCK 时钟信号，同时通过 MOSI 线逐位发送数据（如 0x55）。
- 从设备在 SCK 的上升沿采样 MOSI 数据，同时通过 MISO 线逐位返回数据（如 0xAA）。
- 8 个时钟周期后，1 字节数据传输完成，主设备和从设备分别接收到对方的数据。
- 主设备拉高 SS 线（结束通信），从设备退出选中状态。
五、SPI 协议的优缺点
优点：
- 高速传输：同步通信 + 全双工，速率远高于 I2C（通常可达几十 MHz，甚至数百 MHz）。
- 结构简单：无需复杂的地址机制（通过 SS 线选择从设备），协议逻辑简单，易实现。
- 灵活性高：支持多从设备，可自定义数据位数（不限于 8 位）和时序模式。
- 全双工支持：可同时收发数据，适合需要双向高速通信的场景（如显示屏、无线模块）。
缺点：
- 信号线较多：相比 I2C（仅 2 根线），SPI 最少需要 3 根线（无 SS 时），多从设备时需更多 SS 线，不适合长距离布线。
- 无硬件应答机制：协议本身没有错误检测（如奇偶校验、ACK 信号），需软件实现校验（如 CRC）。
- 主从模式限制：必须有主设备控制，从设备不能主动发起通信。
六、SPI 的典型应用场景
- 短距离高速通信：如微控制器与传感器（加速度计、陀螺仪）、SD 卡、OLED 显示屏、无线模块（蓝牙、WiFi）的连接。
- 全双工需求场景：如数据采集系统（主设备发送配置指令，同时接收传感器数据）。
- 多从设备系统：如嵌入式主板连接多个外设（通过 SS 线独立控制）。
总结
SPI 是一种高效、灵活的同步串行通信协议，以高速全双工和简单结构为核心优势，适合短距离内主从设备的高速数据传输。理解其时序模式、信号线作用及与其他协议的差异，有助于在嵌入式开发中正确选型和实现通信功能。
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