二十五、SPI协议介绍
SPI 协议介绍
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。
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 的主从接线方式需要对应，主从机设定后身份固定。
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。
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。STM32F407 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。
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。
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。