二十五、SPI 协议介绍
25.1. SPI 协议介绍
25.1.1. 什么是 SPI 协议
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。
25.1.2 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）。
| 通信线 | 说明 |
|---|---|
| SCLK | 时钟线，也叫做 SCK。由主机产生时钟信号。 |
| MOSI | 主设备输出从设备输入线，也叫做 SDO。意为主机向从机发送数据。 |
| MISO | 主设备输入从设备输出线，也叫做 SDI。意为主机接收从机的数据。 |
| CS | 片选线，也叫做 NSS。从机使能信号，由主机控制。当我们的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者是拉高。 |
主设备是通过片选线选择要与之通信的从设备。每个从设备都有一个片选线，当片选线为低电平时，表示该从设备被选中。（也有一些设备以高电平有效，需要根据其数据手册确定）。主设备通过控制时钟线的电平来同步数据传输。时钟线的上升沿和下降沿用于控制数据的传输和采样。SPI 的主从接线方式与串口类似，需要发送与接收交叉连接。
25.1.3 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。
25.2 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。GD32F470 具有多个硬件 SPI（串行外设接口）模块，用于实现与外部设备的高速串行通信。每个硬件 SPI 模块都具有独立的寄存器和控制信号，可以配置为主模式或从模式。
使用硬件 SPI 的优势
**支持中断和 DMA：**硬件 SPI 可以与中断控制器和 DMA 控制器配合使用，实现数据的高效处理和传输。 **硬件缓冲区：**硬件 SPI 具有内部缓冲区，可以在主机和外设之间进行数据中转，提高数据的传输效率。 **高速传输：**硬件 SPI 使用硬件模块进行数据传输，速度通常比软件实现的 SPI 更快。
25.3 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。
25.4 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。