SPI接口
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）是由Motorola公司开发，用来在微控制器和外围设备芯片之间提供一个低成本、易使用的接口（SPI有时候也被称为4线接口）。这种接口可以用来连接存储器（存储数据）、A/D转换器、D/A转换器、实时时钟日历、LCD驱动器、传感器、音频芯片，甚至其他处理器。支持SPI的元件很多，并且还一直在增加。SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,地位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比I<?XML:NAMESPACE PREFIX = ST1 />2C总线要快,速度可达到几Mbps。
与标准的串行接口不同，SPI是一个同步协议接口，所有的传输都参照一个共同的时钟，这个同步时钟信号由主机（处理器）产生，接收数据的外设（从设备）使用时钟来对串行比特流的接收进行同步化。可能会有许多芯片连到主机的同一个SPI接口上，这时主机通过触发从设备的片选输入引脚来选择接收数据的从设备，没有被选中的外设将不会参与SPI传输。SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。
SPI主要使用4个信号：主机输出/从机输入（MOSI）、主机输入/主机输出（MISO）、串行SCLK或SCK和外设芯片（CS）。有些处理器有SPI接口专用的芯片选择，称为从机选择（SS）。
（1）MOSI – 主器件数据输出,从器件数据输入
（2）MISO – 主器件数据输入,从器件数据输出
（3）SCLK – 时钟信号,由主器件产生
（4）/SS – 从器件使能信号,由主器件控制
在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。
在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。
MOSI信号由主机产生，从机接收。在有些芯片上，MOSI只被简单的标为串行输入（SI），或者串行数据输入（SDI）。MISO信号由从机产生，不过还是在主机的控制下产生的。在一些芯片上，MISO有时被称为串行输出（SO）或串行数据输出（SDO）。外设片选信号通常只是由主机的备用I/O引脚产生的。下左图是微处理器通过SPI和外设进行连接的示意图。
主机和外设都包含一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器是通过MOSI信号线将字节传送给外设，外设也将自己移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机，如上右图所示。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换了。外设的写操作和读操作是同步完成的，因此SPI成为一个很有效的协议。
如果只是进行写操作，主机只需忽略收到的字节；反过来，如果主机要读取外设的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
当主机发送一个连续的数据流时，有些外设能够进行多字节传输。许多拥有SPI接口的存储器芯片都以这种方式工作。在这种传输方式下，SPI外设的芯片选择端必须在整个传输过程中保持低电平。比如，存储器芯片会希望在一个“写”命令之后紧接着收到的是4个地址字节（起始地址），这样后面接收到的数据就可以存储到该地址。一次传输可能会涉及千字节的移位或更多的信息。
其他外设只需要一个单字节（比如一个发给A/D转换器的命令），有些甚至还支持菊花链连接，如下图所示。
在这个例子中，主机处理器从其SPI接口发送3个字节的数据。第1个字节发送给外设A，当第2个字节发送给外设A的时候，第1个字节已移出了A，而传送给了B。同样，主机想要从外设A读取一个结果，它必须再发送一个3字节（空字节）的序列，这样就可以把A中的数据移到B中，然后再移到C中，最后送回主机。在这个过程中，主机还依次从B和C接收到字节。
注意，菊花链连接不一定适用于所有的SPI设备，特别是要求多字节传输的（比如存储器芯片）设备。另外，要对外设芯片的数据表进行仔细分析，确定能对它做什么而不能做什么。如果芯片的数据表中没有明确提到菊花链连接，那么该芯片不支持这种连接的几率为50%。
根据时钟极性和时钟相位的不同，SPI有4个工作模式。时钟极性有高、低两极：时钟极性为低电平时，空闲时时钟（SCK）处于低电平，传输时跳转到高电平；时钟极性为高电平时，空闲时时钟处于高电平，传输时跳转到低电平。
时钟相位有两个：时钟相位0和时钟相位1。对于时钟相位0，如果时钟极性是低电平，MOSI和MISO输出在（SCK）的上升沿有效。如果时钟电平极性为高，对于时钟相位0，这些输出在SCK的下降沿有效。MISO输出的第X位是一个未定义的附加位，是SPI接口特有的情况。用户不必担心这个位，因为SPI接口将忽略该位。
SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如下图所示,在SCLK的下降沿上数据改变,同时一位数据被存入移位寄存器。
接口内部硬件图示：
SPI 协议
SPI协议概述：
SPI：高速同步串行口。是一种标准的四线同步双向串行总线。
SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。
SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200.
SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。
SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。
（1）SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入
（2）SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出
（3）SCLK – 时钟信号，由主设备产生
（4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。
要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。
在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。
最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。
AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO 是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。
SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。
SPI协议举例
SPI是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1；寄存器中的10101010左移一位，后面补入送来的一位未知数x，成了0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将锁存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成了一个spi时序。
举例：
假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据
脉冲 主机sbuff 从机sbuff sdi sdo
0 10101010 01010101 0 0
1上 0101010x 1010101x 0 1
1下 01010100 10101011 0 1
2上 1010100x 0101011x 1 0
2下 10101001 01010110 1 0
3上 0101001x 1010110x 0 1
3下 01010010 10101101 0 1
4上 1010010x 0101101x 1 0
4下 10100101 01011010 1 0
5上 0100101x 1011010x 0 1
5下 01001010 10110101 0 1
6上 1001010x 0110101x 1 0
6下 10010101 01101010 1 0
7上 0010101x 1101010x 0 1
7下 00101010 11010101 0 1
8上 0101010x 1010101x 1 0
8下 01010101 10101010 1 0
这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。其中ss引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。 SPI 总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束 中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。下图示出SPI总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式 (实线表示):
SPI总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL="0"，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。
SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。
SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图3、图4所示。
补充：
上文中最后一句话：SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。个人理解这句话有2层意思：其一，主设备SPI时钟和极性的配置应该由外设来决定；其二，二者的配置应该保持一致，即主设备的SDO同从设备的SDO配置一致，主设备的SDI同从设备的SDI配置一致。因为主从设备是在SCLK的控制下，同时发送和接收数据，并通过2个双向移位寄存器来交换数据。工作原理演示如下图：
上升沿主机SDO发送数据1，同时从设备SDO发送数据0；紧接着在SCLK的下降沿的时候从设备的SDI接收到了主机发送过来的数据1，同时主机也接收到了从设备发送过来的数据0.
SPI协议心得
SPI接口时钟配置心得：
在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求，因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据，是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。但要注意的是，由于主设备的SDO连接从设备的SDI，从设备的SDO连接主设备的SDI，从设备SDI接收的数据是主设备的SDO发送过来的，主设备SDI接收的数据是从设备SDO发送过来的，所以主设备这边SPI时钟极性的配置（即SDO的配置）跟从设备的SDI接收数据的极性是相反的，跟从设备SDO发送数据的极性是相同的。下面这段话是Sychip Wlan8100 Module Spec上说的，充分说明了时钟极性是如何配置的：
The 81xx module will always input data bits at the rising edge of the clock, and the host will always output data bits on the falling edge of the clock.
意思是：主设备在时钟的下降沿发送数据，从设备在时钟的上升沿接收数据。因此主设备这边SPI时钟极性应该配置为下降沿有效。
又如，下面这段话是摘自LCD Driver IC SSD1289：
SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.
意思是：从设备SSD1289在时钟的上升沿接收数据，而且是按照从高位到低位的顺序接收数据的。因此主设备的SPI时钟极性同样应该配置为下降沿有效。
时钟极性和相位配置正确后，数据才能够被准确的发送和接收。因此应该对照从设备的SPI接口时序或者Spec文档说明来正确配置主设备的时钟。
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