设备间数据通信 —— 串行外设接口（SPI）协议

Schaepher

2021-03-10 约 2140 字预计阅读 5 分钟

设备间通信

两个设备或者多个设备之间通信时，需要有一份共同遵守的协议，避免鸡同鸭讲。

常见的通信协议有：SPI、USB、UART、I2C、CAN[1][2]。

图 1：不同的设备间通信协议

不同的协议是为了满足特定场景的要求而制定的，而不是为了好玩。因此应该分析特定应用的要求，并选择合适的协议。

SPI 协议

使用 SPI 协议的场景是全双工、同步传输、一主多从、线少、高速率。

以下是使用 SPI 协议通信的设备群：

图 2：SPI 一主多从

从图中可以看出一对设备通过 SPI 协议进行通信需要四条线。SPI 四条线分别是：

片选信号线（CS，Chip Select）：选设备
主输出从输入数据线（MOSI）：传数据
从输出主输入数据线（MISO）：传数据
时钟信号线（SCK，Serial Clock）：提供采集数据的时机

数据传输线

由于使用同步传输，所以传输一个字节的 8 位二进制不需要八条导线，只需要一条线分 8 个时钟发送就行了。下文的时钟信号线部分会再次提到。

另外由于要支持全双工，即一次传输过程中主设备传输数据到从设备的同时，从设备也可以传输数据到主设备，因此需要两条传输方向不同的线 MOSI(Master Out/Slave In) 和 MISO(Master In/Slave Out)。如下图：

图 3：全双工。蓝色线表示主设备输出，红色线表示从设备输出。

从图 3 可以看出，单向传输的线连接了多个从设备。

注意这里的接线方式：主设备的 MOSI 接从设备的 MOSI，主设备的 MISO 接从设备的 MISO。

此时我们有了疑问：这些从设备都会同时接收数据吗？多个从设备同时发送数据给主设备岂不是冲突了？

片选信号线

主设备会通过控制从设备的 CS 引脚来激活从设备。上面说过从设备的 CS 引脚为低电平的时候，从设备被激活。

图 4：片选信号线

下图表示从设备被激活后传输数据（NSS 是 CS 引脚的另一个称呼）：

图 5：拉低片选线后才开始传输数据

红框部分表示持续激活从设备，以及采集数据。

注意，主设备用 I/O 线连接到从设备的片选信号线上。

时钟信号线

时钟信号线提供读取数据信号的时机。时钟信号由主设备提供给从设备。

图 6：时钟信号（中间波浪线表示省略 N 个信号）

时钟线的作用是提供高低电平的变化作为数据采样的信号。根据不同的模式，可以是从高到低的时候采样，也可以是从低到高的时候采样。

SPI 协议有四种通信模式，分别由 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）来控制。也就是选择采样的时机。

CPOL(Clock POLarity) 表示时钟空闲时的电平。0 为低电平，1 为高电平。如下图表示 CPOL = 0。

图 7：空闲的 SCK 为低电平，即 CPOL 为 0 的情况

CHPA(Clock PHAse) 表示数据有效的时刻的相位，或者说边沿（Edge）。边沿指的是电平变化的时刻，有两种类型：上升沿（Rising Edge）和下降沿（Falling Edge）。0 表示处于第一个边沿类型的时刻数据有效（进行采样），1 表示处于第二个边沿类型的时刻数据有效（进行采样）。

图 8：上升沿和下降沿

下图标出了采样的时机：

图 9：工作在（0,1）模式的数据采样

四种模式用下表列出：

SPI 通信模式	CPOL	CPHA	特点
0	0	0	时钟空闲时保持低电平，工作时在上升沿从输入引脚采样，在下降沿改变输出引脚的数据
1	0	1	时钟空闲时保持低电平，工作时在下降沿从输入引脚采样，在上升沿改变输出引脚的数据
2	1	0	时钟空闲时保持高电平，工作时在下降沿从输入引脚采样，在上升沿改变输出引脚的数据
3	1	1	时钟空闲时保持高电平，工作时在上升沿从输入引脚采样，在下降沿改变输出引脚的数据

注：两个通信的设备要配置为同一个模式才能正常通信。

通信双方采样的时机是一致的，改变输出的时机也是一致的。不然 A 在采样的时候，B 把输出改了，那 A 得到的数据可能是修改前的数据也可能是修改后的数据，就乱了。

如何确保主从处于同一模式？应该以从设备的模式为准，再配置主设备的模式。从设备的模式有两种情况[3]：

从设备的 SPI 模式由硬件决定，已经被固定
从设备有 SPI 控制器，则 SPI 模式由软件决定，可配置

在模式相同且片选信号线拉低时，开始通信。通常芯片内部的 SPI 控制器会自动控制在 8 次取样后停止通信，也就是一次传输 8 bit，即一个字节。但也可以使用 I/O 线模拟片选信号，这样一次可以传送多个字节[4]。

图 10：工作在（0,1）模式的数据采样

图 10 中的 MSB 和 LSB 表示最高权重位（Most Significant Bit）和最低权重位（Least Significant Bit）[5]。权重指的是对这个数值影响程度高，例如十进制的万比千的权重高。

一个字节，即 8 位二进制数据可以从最高位开始发送，也可以从最低为开始发送。

举个例子：

一个字节的数据：1000 0000

MSB	-	-	-	-	-	-	LSB
1	0	0	0	0	0	0	0

从最高位开始发送就是先发 1。

如果通信双方没有达成一致，则接收者得到的数据和发送者的数据的含义不一致。不过这个通常不需要我们配置。

总结

如果要用到 SPI 协议，需要接四条线。

主设备的 MISO 接从设备的 MISO
主设备的 MOSI 接从设备的 MOSI
主设备的 SCK 接从设备的 SCK
主设备任选一个 I/O 接从设备的 CS

主设备在编程的时候需要配置与从设备相同的 SPI 模式。

主设备在编程的时候需要配置第一位（First Bit）[6]先从 MSB 开始发还是 LSB 开始发。从设备会规定第一位是 MSB 还是 LSB。

参考：

1
2
3
4
5
6
[1]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/47925844 (常见硬件通信协议介绍)
[2]: https://blog.csdn.net/heda3/article/details/89053635 (IIC、SPI、UART、USART、USB、CAN等通讯协议原理及区别)
[3]: https://blog.csdn.net/u013165704/article/details/81076890 (SPI 接口配置)
[4]: https://blog.csdn.net/qq_25814297/article/details/86190106 (SPI通讯有单字节模式和多字节连续模式)
[5]: https://www.cnblogs.com/shuaifeng/archive/2009/12/23/1630195.html (MSB与LSB)
[6]: https://www.stmcu.org.cn/module/forum/thread-627137-1-1.html ([分享] SPI原理超详细讲解---值得一看)

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