SPI总线协议介绍

SPI总线的特点

• 一主多从结构：有一个主机和多个从机组成；
• 全双工通信：MOSI和MISO可同时传输，实现双向数据交换；
• 通信速率快：最高支持几十Mhz传输，适合高速传输场合；

SPI总线的引脚

• SLCK（Serial Clock）：主机输出的时钟信号；
• MOSI（Master Out Slave In）：主机发出的数据线
• MISO（Master In Slave Out）：从机发出的数据线
• CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选信号，用于选择具体的从机

SPI信号传输规则

  SPI具有严格的主次关系，只有主机产生时钟，从机只能被动响应，不能主动发起通信；主机通过拉低某个从机的CS线来开始与它进行通信；

数据移位规则

  SPI通过移位寄存器同步交换数据，每一个时钟周期，主机和从机各发送一位数据、接收一位数据；数据位宽通常有8bit、16bit。

SPI工作模式

  SPI有四种工作模式，由两个参数决定；注意主次双方必须工作在同一模式，否则数据会错位。

• CPOL：时钟极性，决定空闲状态下SCLK是高还是低
• CPHA：时钟相位，决定在哪个时钟沿采样数据

模式	CPOL	CPHA	空闲时钟	采样时刻
0	0	0	低电平	上升沿采样
1	0	1	低电平	下降沿采样
2	1	0	高电平	下降沿采样
3	1	1	高电平	上升沿采样

数据位序规则

• MSB First：最高位先传输
• LSB Frist：最低位先传输

软件SPI/硬件SPI区别

特性	软件SPI	硬件SPI
实现	通过普通GPIO引脚，手动控制SCK、MOSI、MISO、CS的电平跳转，用软件延时完成时序	由MCU内部的SPI外设模块完成，直接配置寄存器后即可由硬件自动产生时钟、发送/接收数据
灵活性	任意 GPIO 都能用作 SPI 引脚，甚至可以多个独立 SPI 总线	必须使用 MCU 支持的 SPI 引脚（部分 MCU 支持引脚重映射）
速度	受 CPU 执行速度、延时精度影响。一般几十 kHz ~ 几百 kHz	以轻松到几 MHz，受限于外设最大 SPI 速率（很多 MCU 可到 10-50 MHz）
稳定性	容易受中断或系统调度影响导致时序抖动	由硬件保证时序，抗干扰能力强
多字节传输	需要手动循环发送每一位/字节	支持 FIFO/DMA，可以连续高速传输

SPI协议注意事项

• 如果有多个SPI设备，同一时刻只能有一个从机被选中，空闲状态下cs应该保持高电平，避免从机误响应，建议加上外部上拉电阻，防止上电期间CS悬空。
• 速度不能是依据主机的最大速度来定，需要考虑从机规格，必要时设置小一点，极限速率可能会丢包或通信异常。
• 高速SPI（>10Mhz）走线需要注意干扰，布线尽量短、避免多个过孔相连，在信号线上，可以串联22~100Ω电阻方便调试以及增强抗干扰能力。