二十五、SPI协议
1. SPI介绍
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，用于在微控制器和外部设备之间进行数据传输。它由一个主设备（通常是微控制器MCU）和一个或多个从设备组成，即一主多从模式。它通常用于短距离、高速、全双工的通信，它在许多嵌入式系统和电子设备中被广泛应用，如存储器芯片、传感器、显示器驱动器、无线模块等。
在SPI协议中，主设备是通信的发起方和控制方，而从设备则是被动接收和响应主设备的命令和数据。主设备通过时钟信号来同步数据传输，同时使用多个双向数据线来实现数据的传输和接收。
SPI协议是一种全双工通信方式，意味着主设备和从设备可以同时发送和接收数据。它还使用一种选择信号（通常称为片选或使能信号），用于选择与主设备进行通信的特定从设备。
- 主设备通过MOSI线向从设备发送数据。在每个时钟周期中，主设备将一个位发送到MOSI线上，从设备在下一个时钟周期中读取该位。
- 从设备通过MISO线向主设备发送数据。在每个时钟周期中，从设备将一个位发送到MISO线上，主设备在下一个时钟周期中读取该位。
- 数据传输可以是全双工的，即主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
- 数据传输的长度可以是可变的，通常以字节为单位。
- 数据传输可以是单向的，即主设备只发送数据或只接收数据。
- 数据传输可以是多主设备的，即多个主设备可以与多个从设备进行通信。
2. SPI的硬件接口
SPI主要使用4根线，时钟线（SCLK），主输出从输入线（MOSI），主输入从输出线（MISO）和片选线（CS）。
| 信号线 | 别称 | 说明 |
|---|---|---|
| SCLK | SCK | 时钟线，由主机产生时钟信号。 |
| MOSI | SDO | 主设备输出从设备输入线，主机向从机发送数据。 |
| MISO | SDI | 主设备输入从设备输出线，主机接收从机的数据。 |
| CS | NSS | 片选线，从机使能信号，由主机控制。当主机控制某个从机时，需要将从机对应的片选引脚电平拉低或拉高。 |
3. SPI的模式选择
SPI协议定义了多种传输模式，也称为SPI模式或时序模式，用于控制数据在时钟信号下的传输顺序和数据采样方式。SPI的传输模式主要由两个参数决定：时钟极性 (CKPL) 和相位 (CKPH)。 时钟极性 (CKPL)：时钟极性定义了时钟信号在空闲状态时的电平。 CKPL = 0：时钟信号在空闲状态时为低电平。 CKPL = 1：时钟信号在空闲状态时为高电平。 时钟相位 (CKPH)：相位定义了数据采样和更新发生在时钟信号的哪个边沿上。 CKPH = 0：数据采样发生在时钟的第一个边沿，数据更新发生在第二个边沿。 CKPH = 1：数据采样发生在时钟的第二个边沿，数据更新发生在第一个边沿。
以下是常见的SPI模式：
模式0（CKPL=0，CKPH=0）：
- 时钟极性（Clock Polarity）为0，表示时钟空闲状态为低电平。
- 时钟相位（Clock Phase）为0，表示数据在时钟信号的第一个边沿（时钟上升沿）进行采样和稳定。
模式1（CKPL=0，CKPH=1）：
- 时钟极性为0，时钟空闲状态为低电平。
- 时钟相位为1，数据在时钟信号的第二个边沿（时钟下降沿）进行采样和稳定。
模式2（CKPL=1，CKPH=0）：
- 时钟极性为1，时钟空闲状态为高电平。
- 时钟相位为0，数据在时钟信号的第一个边沿（时钟下降沿）进行采样和稳定。
模式3（CKPL=1，CKPH=1）：
- 时钟极性为1，时钟空闲状态为高电平。
- 时钟相位为1，数据在时钟信号的第二个边沿（时钟上升沿）进行采样和稳定。
选择SPI模式的决策通常取决于从设备的规格要求和通信协议。不同的设备可能采用不同的模式，所以在与特定从设备通信之前，必须了解从设备所需的SPI模式。如果没有明确指定SPI模式，通常可以根据从设备的规格手册或通信协议选择最常见的模式0或模式3进行尝试。此外，还需要注意SPI模式时钟的频率限制，以确保主设备和从设备之间的时钟频率匹配。
4. 软件SPI与硬件SPI
SPI与IIC类似，都分有软件SPI和硬件SPI，软件SPI部分不再讲解，本章节着重讲解硬件SPI。
CW32F030系列的SPI支持双向全双工、单线半双工和单工通信模式，可配置 MCU 作为主机或从机，支持多 主机通信模式，支持直接内存访问（DMA）。
串行外设接口（SPI）的主要特性有：
● 支持主机模式、从机模式
● 支持全双工、单线半双工、单工
● 可选的 4 位到 16 位数据帧宽度
● 支持收发数据 LSB 或 MSB 在前
● 可编程时钟极性和时钟相位
● 主机模式下通信速率高达 PCLK/2
● 从机模式下通信速率高达 PCLK/4
● 支持多机通信模式
● 8 个带标志位的中断源
● 支持直接内存访问（DMA）
5. SPI协议的优劣势
优势
简单易实现： SPI协议的硬件和软件实现相对简单，通信过程清晰明了，易于理解和调试。这使得SPI协议在嵌入式系统中得到广泛应用。
高速传输： SPI协议可以实现高速的数据传输。由于SPI是点对点的通信协议，数据直接在主设备和从设备之间传输，无需地址和冲突检测，发送与接收分别在不同的信号线上，因此具有较高的传输速度。
灵活性强： SPI协议允许主设备与多个从设备进行通信。主设备可以通过选择从设备的片选信号来与特定设备通信，从而实现多设备的串行通信。
劣势
信号线长度有限： 由于SPI协议没有特定的规范限制信号线的长度，较长的信号线可能会引入稳定性和传输速度方面的问题。在长距离通信时需要考虑信号传输的可靠性。
信号线数量多： SPI协议在每个从设备之间都需要一条单独的控制线，因此对于连接大量设备的系统来说，所需的信号线数量会相对较多。
无手握通信： SPI协议没有提供像I2C协议那样的“握手”机制，即从设备无法主动向主设备发送数据请求。因此，对于需要主动主设备交互的应用场景来说，SPI可能不太适合。
6. SPI协议的应用领域
SPI是一种常见的串行通信接口，广泛应用于数字和模拟电子设备之间的通信。它具有简单、高效和灵活的特点，因此与I2C一样，在各种领域都被广泛采用。
在存储器和闪存芯片领域，SPI协议被用于与存储器芯片（如EEPROM、SRAM）和闪存芯片（如SD卡、SPI Flash）进行通信。通过SPI协议，这些芯片可以与主控制器进行数据交换，实现数据的高速读写和存储。
SPI协议在显示器和液晶屏领域也有广泛的应用。许多液晶显示器和OLED显示器使用SPI协议传输图像数据和控制信号。
还有传感器领域、通信领域等，需要注意的是，SPI协议是一种点对点的通信协议，一般通过主从架构进行通信，其中一个设备充当主设备，其他设备充当从设备。