在當(dāng)今電子設(shè)備互聯(lián)互通的時代，芯片間的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要，而 SPI 通信協(xié)議作為一種常用的同步串行通信協(xié)議，在其中發(fā)揮著重要作用。下面我們將詳細介紹 SPI 通信協(xié)議的基本概念和工作模式。

基本概念

SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外圍設(shè)備接口，是 Motorola 公司推出的一種高速、全雙工、同步的通信總線。它采用主從模式，通常包含一個主設(shè)備（Master）和一個或多個從設(shè)備（Slave）。主設(shè)備在通信過程中起主導(dǎo)作用，負責(zé)生成時鐘信號、選擇與之通信的從設(shè)備，并進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；從設(shè)備則依據(jù)主設(shè)備的控制信號做出響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送操作。

SPI 接口在結(jié)構(gòu)上主要由四根基礎(chǔ)信號線構(gòu)成：

• SCLK（時鐘線）：由主設(shè)備產(chǎn)生，為數(shù)據(jù)傳輸提供時鐘同步信號，確保主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸能夠同步進行。
• MOSI（主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入）：主設(shè)備通過該線向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。
• MISO（主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出）：從設(shè)備通過此線向主設(shè)備返回數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。
• CS（片選線，也稱為 SS 或 CS）：主設(shè)備利用該信號來選擇要與之通信的從設(shè)備。該信號低電平有效，當(dāng)主設(shè)備要與某個從設(shè)備進行通信時，會將該從設(shè)備對應(yīng)的 CS 信號拉低，而其他從設(shè)備的 CS 信號則保持高電平，從而確保通信的準(zhǔn)確性和針對性。在某些特殊場景下，SPI 接口還會增加中斷請求線或狀態(tài)檢測線，以滿足更復(fù)雜的通信需求。

工作模式

SPI 通信協(xié)議有四種工作模式，這些模式由時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）這兩個參數(shù)決定。不同的工作模式適用于不同的應(yīng)用場景，工程師可以根據(jù)實際需求進行靈活選擇。

• 模式 0（CPOL = 0，CPHA = 0）：在這種模式下，SCK（時鐘信號）在空閑狀態(tài)時為低電平，數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿進行采樣。這意味著主從設(shè)備會在時鐘信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r讀取數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。
• 模式 1（CPOL = 0，CPHA = 1）：SCK 在空閑時同樣為低電平，但數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿進行采樣。即主從設(shè)備在時鐘信號從高電平變?yōu)榈碗娖綍r讀取數(shù)據(jù)，適用于對數(shù)據(jù)采樣時機有特定要求的場景。
• 模式 2（CPOL = 1，CPHA = 0）：SCK 在空閑狀態(tài)為高電平，數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿采樣。與模式 0 不同的是，空閑時的時鐘電平狀態(tài)發(fā)生了變化，這在一些對時鐘信號初始狀態(tài)有特殊要求的應(yīng)用中較為常見。
• 模式 3（CPOL = 1，CPHA = 1）：SCK 空閑時為高電平，數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿采樣。這種模式結(jié)合了高電平的空閑時鐘狀態(tài)和下降沿采樣的特點，可滿足特定設(shè)備的通信需求。

通訊過程

SPI 通信的過程主要包括初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。在初始化階段，主設(shè)備和從設(shè)備都需要進行初始化配置。主設(shè)備會設(shè)置 SPI 控制器的工作模式，如選擇合適的時鐘極性和時鐘相位等。在數(shù)據(jù)傳輸階段，主設(shè)備首先將目標(biāo)從設(shè)備的 CS 信號拉低，選中該從設(shè)備，然后通過 SCLK 提供時鐘信號，按照設(shè)定的工作模式在 MOSI 和 MISO 線上進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

特點及應(yīng)用

SPI 通信協(xié)議具有諸多優(yōu)點。它占用端口較少，一般只需 4 根線（不算電源線）就能實現(xiàn)基本的通訊功能，這對于引腳資源有限的芯片來說非常友好。同時，其傳輸速度較快，能夠滿足許多對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的應(yīng)用場景。此外，SPI 通信協(xié)議的工作方式十分靈活，既可以通過軟件實現(xiàn)，也可以借助硬件來完成。主設(shè)備和從設(shè)備之間的通信速率、數(shù)據(jù)格式和傳輸模式等都能夠根據(jù)實際需求進行配置和調(diào)整。這使得 SPI 通信協(xié)議廣泛適用于各種不同的應(yīng)用場景，包括存儲器、傳感器、顯示器等多種外圍設(shè)備。