SPI总线的技术要点汇总

 前面总结了UART/I2C的技术要点，SPI相对I2C而言，比较简单。本文来总结一下SPI总线个人认为比较重要的一些技术要点。

什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface)是一种嵌入式系统中应用广泛的同步串行通信、主从架构式总线接口。80年代由摩托罗拉开发，已成为事实标准。

这句话里有几个关键要点：

同步

串行

通信

主从

总线

要理解这些要点，先上图，一图胜千言：

常见的SPI接口有这样几个引脚：

SCLK: 串行时钟，总是主端负责输出(Master)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

MOSI:主出从入（Master Output Slave Input)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

MISO:主入从出(Master Input Slave Output)。总是由从端控制该信号，主端为输入采样。

:从选择信号(Slave Select)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

要理解上面这几个信号引脚的内涵，结合时序图，就比较容易理解了：

数字威廉希尔官方网站 中，同步威廉希尔官方网站 是一种通过时钟信号同步存储元件状态变化的数字威廉希尔官方网站 。

主端>从端：

：主端发送低电平先选通从芯片，上面加帽表示低有效。啥意思呢？就是这个脚低电平期间选中从设备，主设备发送的时序报文对选中的从设备有效，其他挂载在总线上的设备忽略总线报文。

SCLK/SCK：发送同步移位时钟。

MOSI：将数据按照SCLK移位时钟周期，将数据移位发送至该引脚。被选中的从设备依照SCLK/SCK上升沿或者下降沿，按位采样，一般字节的高位在前，具体须遵从芯片手册时序定义。从端依赖SCK/SCLK对MOSI上的信号逐位采样，采样的位依次进入接收移位寄存器，完成对字节的重组。当字节接收完成，再由后续数字威廉希尔官方网站 进行处理。后续处理芯片实现各异，如是一个单片机则可能引发中断请求，如是特定功能数字芯片，则依据接收报文完成相应的功能处理。

从端>主端:

：主芯片发送低电平先选通从芯片。

SCLK/SCK：发送同步移位时钟。

MISO: 类似MOSI发送位流，依赖SCLK/SCK将位流依次发送至引脚上，主设备在同步时钟的跳变边沿采样该引脚，进而移位接收位流。

采样沿：SPI采用边沿触发采样，对MOSI/MISO上的位序列进行采样，实际芯片有下面两种方式勘误见置顶留言，字数限制改不了，抱歉：

CPHA=0，表示上升沿采样

CPHA=1，表示下降沿采样

经过这些描述，解释了串行、同步、主从的概念。

什么是通信？

众所周知，计算机是一个二进制系统，所有的信息都是基于0/1进行编码、进行运行管理的。由0/1编码进而表示字符、文本、文件。那么SPI实现了底层的0/1码流的传递机制，能传递0/1，通过应用控制、很自然就能交换信息。

这是否有种一生二、二生三、三生万物的意思呢？

所以在研究各种通信总线的物理层时，就其本质而言都是界定如何对信息流的基本单元0/1进行编码、解码、收发的。

什么是SPI总线呢？

对于SPI总线而言，有两种拓扑：

独立片选拓扑：总线拓扑需要更多片选引脚，但通信效率高。信息直接在主从间传递

菊花链拓扑：节省引脚，但效率较低，数据信息传递需要级联传递。

独立片选拓扑

如上图：

每个从设备都有独立的片选引脚，主机同一时间段内，与一个从设备进行通信，也即选中一个从设备。

MOSI/MISO/SCLK并联在一起

MISO须是三态门，当从设备未选中时，该脚须设置为高阻态，而不能是输出态，否则会影响总线，这句话对于多从设备应用而言，请重点理解。尤其当用GPIO模拟SPI应用而言，须特别注意这一点！

对于MOSI/SCLK，虽然并联在一起，但是由于仅一个输出，多输入。输入引脚的阻抗本来就是高阻，所以不会有问题。

菊花链拓扑

有的芯片支持菊花链拓扑连接，这是何意呢？啥是菊花链呢？在电气和电子工程中，雏菊链是一种布线方案，其中多个设备按顺序或按环连接在一起，类似于雏菊的花环。其信息传递在链中流转。

那么对于SPI总线而言，具体是如何连接的呢？

其本质就是主从级联：

共用SCLK/，这两根线并联在一起

主MOSI连次级MOSI，次级MISO连次次级的MOSI....,然后由最后一级的MISO再送回到主设备的MISO。  

某级从设备在第N组时钟周期用MISO发送第N-1组时钟周期接收到位给下级设备，同时把本组时钟周期期间前级设备通过MISO移位进来的数据保存按位序保存进接收寄存器中。其实在底层是按照位进行流转的。这个传递过程当变为高电平时则停止，各从设备当前寄存器中内容锁定了。具体应用时，如果要将某一字节传递到某个设备，则需要组织好传递的码流，以及时钟控制。

对于菊花链数据传递过程，其实类似于击鼓传花游戏。鼓点的作用就是同步时钟，花则是要传递的信息数据，鼓点的起停则类似于片选控制，唯一不同的是，击鼓传花传的是一朵花，而菊花链总线传递的是二进制流，至于从设备究竟要怎么应用这些数据流，则具体实现各异。

其实熟悉数据结构的同学可能会想，这个拓扑咋很像首尾相连的环形链表呢？确实很像，虽然没啥直接关系。

引脚的别名

对于SPI的引脚，不同的芯片厂商在DATASHEET上定义的引脚名字可能不同，这里将常见的别名整理一下：

MOSI主出从入:

SIMO, MTSR

SDI, DI, DIN, SI

SDO, DO, DOUT, SO

MISO主入从出

SOMI, MRST

SDO, DO, DOUT, SO

SDI, DI, DIN, SI

片选

S̅S̅, SSEL, CS, C̅S̅, CE, nSS, /SS, SS

很多功能芯片可能没有MISO引脚，也即无法支持读操作，仅仅支持写入操作。

SPI优缺点

优势：

传输速度高，SPI并未限定最高速度。有的应用甚至高达10Mbps。

全双工，但有的芯片没有MISO，则不支持。

相较于I2C而言，SPI简单一些，编程容易，控制简单

信号为单向信号，易于电隔离。尤其在工业产品中电气隔离在抗干扰方面、以及本质安全方面要求比较高。

没有复杂的总线仲裁机制，相对健壮。

劣势：

无寻址机制，需要额外的片选信号

SPI总线对于多从模式支持不好，两种拓扑都无法支持很多从设备，而且系统中也仅有一个主设备

没有定义错误检测机制

事实上的标准，但无正式标准

与I2C一样也只是芯片间总线，无法长距离通信

总结一下

或许有人会说I2C比SPI更好更为优越，SPI则相对简单粗暴。事实上做这样的对比，个人认为是没什么意义。

这两种协议在鲁棒性方面都比较好。I²C之所以优雅，是因为它在极简的基础架构（两线SDA/SCL）上提供了非常先进的功能，例如自动多主机冲突处理和内置地址管理。但是它相对却非常复杂，在性能上或许有所欠缺。

另一方面，SPI非常易于理解和实施，并且为扩展提供了很大的灵活性。SPI的优雅之处在于简单性。SPI应该被视为构建用于IC之间通信的自定义协议栈的良好接口。因此，尽管使用SPI可能需要做更多的工作，但可以提供更高的数据传输性能和灵活的自由度。

如果一定要比较，则SPI和I2C都为低速设备的通信提供了良好的接口支持，但是SPI更适合点对点传输数据流的应用，而I²C则更适合于多主机“寄存器访问”应用。

正确使用这两种协议可提供相同级别的鲁棒性，芯片厂商对两种接口都广泛支持。市面上提供了大量的外围芯片，比如 EEPROM，ADC，DAC，RTC，微控制器，传感器，LCD控制器，这些芯片主要提供I²C，SPI或同时支持这2个接口。