SPI

一、介绍

SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外设接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线。它由摩托罗拉公司在20世纪80年代提出，主要用于在微控制器（如单片机）和各种外设（如传感器、存储器、显示器等）之间进行数据传输。SPI通信简单灵活，能在短时间内实现大量数据的快速交换，因此在物联网、嵌入式系统等领域得到了广泛应用。

二、常见分类

单主单从模式

在这种模式下，系统中只有一个主设备和一个从设备。主设备负责发起通信，控制时钟信号和数据传输的方向，从设备则根据主设备的指令进行响应，接收或发送数据。这种模式结构简单，适用于设备数量较少且功能单一的系统。

单主多从模式

一个主设备可以连接多个从设备。主设备通过片选信号（SS）来选择与哪个从设备进行通信。在同一时间，主设备只能与一个从设备进行数据传输。这种模式增加了系统的扩展性，允许主设备与多个不同类型的外设进行交互。

多主多从模式

系统中存在多个主设备和多个从设备。这种模式相对复杂，需要更复杂的仲裁机制来协调多个主设备之间的通信，避免冲突。多主多从模式适用于对通信灵活性和扩展性要求较高的大型系统。

三、技术原理

基本信号

SPI通信通常需要四条信号线：

1. 串行时钟线（SCK）：由主设备产生，为数据传输提供时钟信号，确定数据传输的速率和时序。
2. 主输出从输入线（MOSI）：主设备通过这条线向从设备发送数据。
3. 主输入从输出线（MISO）：从设备通过这条线向主设备发送数据。
4. 片选线（SS）：主设备通过该信号选择要通信的从设备，低电平有效。

工作过程

1. 设备选择：主设备通过将相应从设备的片选信号拉低，选中要通信的从设备。
2. 时钟同步：主设备产生时钟信号（SCK），数据在时钟信号的控制下进行传输。
3. 数据传输：主设备在MOSI线上发送数据，同时从设备在MISO线上发送数据，实现全双工通信。数据的传输通常是按位进行的，每一个时钟周期传输一位数据。
4. 结束通信：主设备将片选信号拉高，结束与该从设备的通信。

时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）

SPI有四种工作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定：

• CPOL = 0：时钟空闲时为低电平。
• CPOL = 1：时钟空闲时为高电平。
• CPHA = 0：数据在时钟的第一个边沿（上升沿或下降沿，取决于CPOL）采样。
• CPHA = 1：数据在时钟的第二个边沿采样。

不同的设备可能支持不同的SPI工作模式，在通信时需要确保主设备和从设备的工作模式一致。

四、发展历史

SPI是由摩托罗拉公司在20世纪80年代开发的，旨在为微控制器和外设之间提供一种高速、简单的通信方式。随着嵌入式系统和物联网技术的发展，SPI的应用越来越广泛。由于其高速、全双工的特性，SPI逐渐成为了许多领域中常用的通信接口之一。如今，大多数微控制器都集成了SPI接口，使得开发者可以方便地使用SPI进行设备间的通信。

五、应用场景

传感器数据采集

在物联网和工业自动化领域，需要采集各种传感器的数据，如温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。这些传感器通常可以通过SPI接口与微控制器进行通信，将采集到的数据快速、准确地传输给微控制器进行处理。

存储器扩展

当微控制器内部的存储器容量不足时，可以通过SPI接口连接外部存储器，如EEPROM、Flash存储器等。SPI接口的高速数据传输能力可以满足存储器读写操作的需求，实现数据的快速存储和读取。

显示驱动

在一些小型显示设备，如OLED显示屏、LCD显示屏等，SPI接口可以用于传输显示数据和控制命令。主设备通过SPI接口将图像数据和控制信息发送给显示驱动芯片，实现图像的显示。

无线通信模块

许多无线通信模块，如Wi-Fi模块、蓝牙模块等，也支持SPI接口。通过SPI接口，微控制器可以与无线通信模块进行数据交互，实现设备的无线联网功能。