SPI通信协议有哪些应用及原理？

SPI，Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口，是一种同步通信协议，通常用于芯片间进行数据交互。SPI总线通常由四根线组成：时钟线、数据线、主机选择线与从机选择线。本文将介绍SPI通信协议的基本原理和使用场景，并附带示例代码。

一、基本原理

SPI协议是一种全双工协议，其中最多存在一个主设备和多个从设备，主设备通过选择不同的从设备、向其发送数据及接收数据的方式，与多个从设备进行通信。SPI是一种同步通信协议，亦即通过时钟信号的同步作用，实现数据在多个设备之间的传递。

SPI通信一般由四根线(或者五根线)组成：

1. CLK(Clock)：时钟信号，规定数据的传输时间。

2. MOSI(Master-Out-Slave-In)：主设备发出的数据。

3. MISO(Master-In-Slave-Out)：从设备发出的数据。

4. SS(Slave Select)：从设备的选择信号，因为SPI可以同时控制多个设备，所以可以使用多个SS线来实现多个从设备的选择。

(5. 全双工模式下，数据输出线为MOSI，数据输入线为MISO，两个设备分别向对方传输数据。)

二、使用场景

SPI是一种非常常见的芯片间通信协议，它的应用场景非常广泛，如：

1. 内部数据传输

无论是芯片内部还是与其他芯片之间的通讯，SPI都能体现出其高效率与高速性。它的主机能同时与多个从机进行数据通信，使得芯片之间的数据交换更为高效。

2. 存储器

常见的存储器芯片，如EEPROM、Flash以及SRAM等均可以使用SPI进行数据的读写。

3. 传感器

SPI协议在很多传感器中也得到广泛应用。比如陀螺仪、加速度计、压力传感器等。

SPI是一种高速、全双工、同步通信总线，所以可以在同一时间发送和接收数据，SPI没有定义速度限制，通常能达到甚至超过10M/bps。

SPI是有主从机设备的，主机只允许有一个，从机可以有多个。

SPI通信时需要用到四根线，单向传输时需要用到三根线，即单工模式。它们是MISO(主设备数据输入)、MOSI(主设备数据输出)、SCLK(时钟)和CS/SS(片选)

MISO( Master Input Slave Output)：主设备输入从设备输出信号引脚。

MOSI(Master Output Slave Input)：主设备输出从设备输入信号引脚。

SCLK(Serial Clock)：时钟信号，由主设备产生。

CS/SS(Chip Select/Slave Select)：从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位)，主芯片对此从芯片的操作才有效。

SPI的优缺点

优点

无起始位和停止位，因此数据位可以连续传输而不会被中断(根据通信芯片的选择可能有所区别，但SPI通信本身没有硬性的起始位停止位规定);

没有像I2C这样复杂的从设备寻址系统;

数据传输速率比I2C更高(几乎快两倍);

分离的MISO和MOSI信号线，因此可以同时发送和接收数据;

极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字;

非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址(与I2C不同)。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振(与UART不同)。不需要收发器(与CAN不同)。

缺点

使用四根信号线(I2C和UART使用两根信号线);

无法确认是否已成功接收数据(I2C应答位拥有此功能);

没有任何形式的错误检查，如UART中的奇偶校验位;

只允许一个主设备;

没有硬件从机应答信号(主机可能在不知情的情况下无处发送);

没有定义硬件级别的错误检查协议;

与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离;

电子设备之间的通信就像人类之间的交流，双方都需要说相同的语言。在电子产品中，这些语言称为通信协议。

之前有单独地分享了SPI、UART、I2C通信的文章，这篇对它们做一些对比。

串行 VS 并行

电子设备通过发送数据位从而实现相互交谈。位是二进制的，只能是1或0。通过电压的快速变化，位从一个设备传输到另一个设备。在以5V工作的系统中，“0”通过0V的短脉冲进行通信，而“1”通过5V的短脉冲进行通信。

数据位可以通过并行或串行的形式进行传输。另外也可以通过此视频了解:视频讲解UART、I2C、SPI串口通信。在并行通信中，数据位在导线上同时传输。下图显示了二进制(01000011)中字母“C”的并行传输：

在串行通信中，位通过单根线一一发送。下图显示了二进制(01000011)中字母“C”的串行传输：

SPI通信

SPI是一种常见的设备通用通信协议。它有一个独特优势就是可以无中断传输数据，可以连续地发送或接收任意数量的位。而在I2C和UART中，数据以数据包的形式发送，有着限定位数。

在SPI设备中，设备分为主机与从机系统。主机是控制设备(通常是微控制器)，而从机(通常是传感器，显示器或存储芯片)从主机那获取指令。

一套SPI通讯共包含四种信号线：MOSI (Master Output/Slave Input) – 信号线，主机输出，从机输入。MISO (Master Input/Slave Output) – 信号线，主机输入，从机输出。SCLK (Clock) – 时钟信号。SS/CS (Slave Select/Chip Select) – 片选信号。

SPI协议特点

实际上，从机的数量受系统负载电容的限制，它会降低主机在电压电平之间准确切换的能力。

时钟信号

每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度取决于时钟信号的频率。 时钟信号由于是主机配置生成的，因此SPI通信始终由主机启动。

设备共享时钟信号的任何通信协议都称为同步。SPI是一种同步通信协议，还有一些异步通信不使用时钟信号。 例如在UART通信中，双方都设置为预先配置的波特率，该波特率决定了数据传输的速度和时序。

片选信号

主机通过拉低从机的CS/SS来使能通信。 在空闲/非传输状态下，片选线保持高电平。在主机上可以存在多个CS/SS引脚，允许主机与多个不同的从机进行通讯。

如果主机只有一个片选引脚可用，则可以通过以下方式连接这些从器件：

MOSI和MISO

主机通过MOSI以串行方式将数据发送给从机，从机也可以通过MISO将数据发送给主机，两者可以同时进行。所以理论上，SPI是一种全双工的通讯协议。

传输步骤

1. 主机输出时钟信号

使用SPI有一些优点和缺点，如果在不同的通信协议之间进行选择，则应根据项目要求进行充分考量。

SPI优点

SPI通讯无起始位和停止位，因此数据可以连续流传输而不会中断;没有像I2C这样的复杂的从站寻址系统，数据传输速率比I2C更高(几乎快两倍)。独立的MISO和MOSI线路，可以同时发送和接收数据。

SPI缺点

SPI使用四根线(I2C和UART使用两根线)，没有信号接收成功的确认(I2C拥有此功能)，没有任何形式的错误检查(如UART中的奇偶校验位等)。

UART代表通用异步接收器/发送器也称为串口通讯，它不像SPI和I2C这样的通信协议，而是微控制器中的物理电路或独立的IC。

UART的主要目的是发送和接收串行数据，其最好的优点是它仅使用两条线在设备之间传输数据。UART的原理很容易理解，但是如果您还没有阅读SPI 通讯协议，那可能是一个不错的起点。

UART通信

在UART通信中，两个UART直接相互通信。相关实例:按下按键，通过串口发送数据实例。发送UART将控制设备(如CPU)的并行数据转换为串行形式，以串行方式将其发送到接收UART。只需要两条线即可在两个UART之间传输数据，数据从发送UART的Tx引脚流到接收UART的Rx引脚：

UART属于异步通讯，这意味着没有时钟信号，取而代之的是在数据包中添加开始和停止位。这些位定义了数据包的开始和结束，因此接收UART知道何时读取这些数据。

当接收UART检测到起始位时，它将以特定波特率的频率读取。波特率是数据传输速度的度量，以每秒比特数(bps)表示。两个UART必须以大约相同的波特率工作，发送和接收UART之间的波特率只能相差约10%。

UART工作原理

发送UART从数据总线获取并行数据后，它会添加一个起始位，一个奇偶校验位和一个停止位来组成数据包并从Tx引脚上逐位串行输出，接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。

UART数据包含有1个起始位，5至9个数据位(取决于UART)，一个可选的奇偶校验位以及1个或2个停止位：

起始位：

UART数据传输线通常在不传输数据时保持在高电压电平。开始传输时发送UART在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平，当接收UART检测到高电压到低电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据帧：

数据帧内包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为9位。

校验位：

奇偶校验位是接收UART判断传输期间是否有任何数据更改的方式。接收UART读取数据帧后，它将对值为1的位数进行计数，并检查总数是偶数还是奇数，是否与数据相匹配。

停止位：

为了向数据包的结尾发出信号，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压至少持续两位时间。