SPI通信協(xié)議原理詳解(上)
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）是一種高速、全雙工、同步的串行通信協(xié)議，由摩托羅拉公司于20世紀80年代開發(fā)，廣泛應用于短距離設備間的數據傳輸，如微控制器與傳感器、存儲器、顯示屏等外設的通信。其核心優(yōu)勢在于結構簡單、傳輸速度快、支持多設備連接，成為嵌入式系統(tǒng)中最常用的通信協(xié)議之一。
一、SPI的基本硬件結構
SPI協(xié)議的硬件連接采用四線制（部分簡化場景可省略部分線路），核心信號線包括：
SCLK（Serial Clock，串行時鐘）：由主設備（Master）產生，用于同步主從設備的數據傳輸，決定通信速率。時鐘頻率可根據設備支持范圍調整，通常在幾MHz到幾十MHz之間。
MOSI（Master Out Slave In，主出從入）：主設備向從設備發(fā)送數據的信號線，數據由主設備通過該線路傳輸到從設備。
MISO（Master In Slave Out，主入從出）：從設備向主設備返回數據的信號線，數據由從設備通過該線路傳輸到主設備，實現(xiàn)全雙工通信。
SS（Slave Select，從設備選擇）：由主設備控制，用于指定當前通信的從設備。SPI支持一主多從架構，每個從設備都有獨立的SS線（或通過譯碼器共享），主設備通過拉低某一從設備的SS線使其進入工作狀態(tài)。
在通信過程中，主設備負責初始化通信并提供時鐘信號，從設備則被動響應主設備的操作。這種“主從模式”確保了通信的有序性，避免多設備競爭總線的問題。
二、SPI的通信原理與時序
SPI的通信基于“同步移位”機制，主設備通過SCLK時鐘信號同步數據的發(fā)送與接收，具體過程如下：
1. 通信初始化
主設備首先拉低目標從設備的SS線，告知該從設備即將進行數據傳輸。此時，未被選中的從設備會忽略SCLK和MOSI信號，僅等待自身SS線被激活。
2. 數據傳輸時序
SPI的數據傳輸以“位”為單位，主設備和從設備通過MOSI和MISO線同時交換數據，實現(xiàn)全雙工通信。其關鍵時序參數包括：
時鐘極性（CPOL）：定義SCLK在空閑狀態(tài)（無數據傳輸時）的電平。CPOL=0時，空閑狀態(tài)為低電平；CPOL=1時，空閑狀態(tài)為高電平。
時鐘相位（CPHA）：定義數據采樣的時刻。CPHA=0時，數據在SCLK的第一個跳變沿（上升沿或下降沿）被采樣；CPHA=1時，數據在第二個跳變沿被采樣。
通過CPOL和CPHA的組合，SPI支持四種通信模式，不同設備需約定一致的模式才能正常通信。例如，SD卡通常使用模式0（CPOL=0，CPHA=0），而某些傳感器可能使用模式3（CPOL=1，CPHA=1）。
3. 數據幀格式
SPI協(xié)議對數據幀格式（如位數、校驗位等）沒有強制規(guī)定，由主從設備協(xié)商確定，常見的幀長為8位（1字節(jié)）。傳輸時，主設備通過移位寄存器將數據逐位發(fā)送到MOSI線，同時從MISO線逐位接收從設備的數據，一次時鐘脈沖完成一位數據的雙向傳輸。例如，主設備發(fā)送0x55（二進制01010101）時，從設備可能同時返回0xAA（二進制10101010），8個時鐘脈沖后完成整字節(jié)的交換。
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