迷乱的通信协议之SPI分析

首先了解下SPI的背景，SPI——串行外围设备接口（serial peripheral interface）的缩写。是Motorola公司首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的，是一种高速的、全双工、同步的通信总线。

SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器等方面，SPI通信原理很简单，以主从方式工作，与IIC的方式类似，可以一主多从，信号线一般是4根线，当使用半双工方式进行数据传输的话，就是三根了；

也许你对全双工和半双工这个概念不清楚，其实很简单，全双工就是通信允许数据在两个方向上同时传输；半双工指的数据可以在两个方向上传输，但是不同时。

如果还是不太理解的话，可以把它想象成通行的车子，全双工：两辆车子（数据）在双向通道上，道路（信道）够宽，两车可以互不影响的同时通过该道路；半双工：两辆车子还是在一个双向通道上，但是道路很窄，只允许一辆车通行，这时，辆车相遇，就必须要有一辆先通过，然后另外一辆才能再通过。

接下来对信号线进行讲解

四根信号线分别为：

SDO--数据输出，SDI--数据输入，SCLK--时钟信号，CS--片选信号。

对应着MOSI，MISO，SCLK，CS这四个信号。

MOSI是SPI总线主机输出/从机输入——SPI Bus Master Output/Slave Input；

MISO是SPI总线主机输入/从机输出——SPI Bus Master Input/Slave Output；

SCLK是时钟信号，由主机产生，从机跟随使用；

CS是从设备使能的一个信号，由主机控制选择，当片选信号为正确的使能信号时（因为有可能为高电平，也可能是低电平），对从机的操作才有效。

挂载多个设备时可以有以下的连接方式，叫做独立从设备，如下图所示，还有一种叫做菊花链从设备，感兴趣的可以自行了解具体，数据流动方向大概是这样的：主机->从机1->从机2->从机3->…->从机N->主机，构成一个环路的感觉。

从上图可以看出，当片选信号选定好从机后，主要就是靠SCLK，MOSI和MISO进行数据的传输了。

需要注意的的一点，SPI控制器中，主机设备需要能够控制时钟，是因为SPI的通信与之前所讲的IIC和UART这两种通信不同，没有专门的起始信号和停止信号，所以当没有数据的传输时，时钟需要保持空闲状态，可能为高电平，也可以是低电平，需要与工作模式进行对应，接下来开始讲解SPI的四种工作模式。

总共有四种工作模式，有以下的组合：

CPOL是指时钟极性，CPOL=0：SCLK空闲时为低电平，高电平为有效状态；CPOL=1：就反过来，空闲时为高电平，有效状态是低电平的时候。

CPHA是指时钟相位，CPHA=0，时钟的第一个时钟边沿，就是从空闲状态进入有效状态的边沿，CPHA=1,时钟的第二个边沿，指时钟信号从有效状态进入空闲状态的边沿。

再对四种模式进行文字表述

Mode 0：CPOL=0, CPHA=0；空闲时为低电平，第一个边沿进行采样，即上升沿采样；

Mode 1：CPOL=0, CPHA=1；空闲时为低电平，第二个边沿进行采样，即下降沿采样；

Mode 2：CPOL=1, CPHA=0；空闲时为高电平，第一个边沿进行采样，即下降沿采样； Mode 3：CPOL=1, CPHA=1；空闲时为高电平，第二个边沿进行采样，即上升沿采样；

为方便大家理解，我绘制了一个图，请仔细比对数据最高位（MSB）所对应的边沿。

顺便说下传输时序怎么理解，数据传输利用的是两个移位寄存器，传输的数据可以是8位，也可以是16位，在主机产生片选信号和时钟信号后。数据按位传输，高位在前，低位在后，如上图所示，每产生一次工作模式对应的沿变化，就存入一位数据至移位寄存器进行传输。

也许你看到这么多模式，或许有点迷了，其实实际上SPI设备的模式是固定的，可以在从机设备对应的datasheet中找的使用的模式，然后在主机中做好对应模式进行配置即可；如果从机设备是可由自己用软件配置的，也需要保持主机的模式与配置的从机一致，因为主从机之间的发送数据和接收数据都是同时完成的，所以为保持通信正常，一定要使得主从机的工作模式相同，有一致的时钟极性和时钟相位。

你理解完上面说的传输时序后，对于数据的传输也会有了一定的猜想，在一个时钟周期内，完成如下的操作：

1）主机通过MOSI发送1位数据，从机通过MOSI读取这1位数据；

2）从机通过MISO发送1位数据，主机通过MISO读取这1位数据；

这利用的就是刚才讲的移位寄存器，主机和从机都各有一个移位寄存器，二者构成一个环路，随着时钟信号的变化，依此传输数据，当寄存器的内容全部移出后，就相当于数据传输完成，数据传输的样子如下图所示：

突然发现画这些图挺累的

当你看完整篇时，你会发现我并没有分析过和IIC相似的读写过程，其实业界并没有统一的SPI标准，具体的使用需要参考相关器件的手册，如果想进行实际的编程使用，可以先参考SPI Flash的读写，推荐W25QXX这系列的Flash芯片，然后编完了整个读写的驱动过程后，你会对整体有个更加清晰的认识，当然，以后时间足够的话，也会进行相关驱动代码的编写，应该是使用硬件语言进行设计。

敬请期待吧~