温故知新（十二）——SPI

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1 简介

SPI是一种嵌入式系统中应用广泛的同步串行通信、边沿采样、主从架构式总线接口。80年代由摩托罗拉开发。

1.1 拓扑结构

SPI一般有四根线，一根时钟线SCLK，两根数据线MOSI（主出从入）/MISO（主入从出），一根片选线。

对于SPI总线而言，有两种拓扑：

• 独立片选拓扑：总线拓扑需要更多片选引脚，但通信效率高。信息直接在主从间传递。

对于从设备而言，当从设备未选中时，MISO脚须设置为高阻态，而不能是输出态，否则会影响总线。 对于从设备的MOSI，输入引脚的阻抗本来就是高阻，所以不会有问题。

• 菊花链拓扑：某级从设备在第N组时钟周期用MISO发送第N-1组时钟周期接收到位给下级设备，同时把本组时钟周期期间前级设备通过MISO移位进来的数据保存按位序保存进接收寄存器中。

1.2 四种工作模式

SPI总线有四种工作模式，是由时钟极性选择（CPOL）和时钟相位选择（CPHA）决定。
CPOL = 0 ，SPI总线空闲为低电平，CPOL = 1, SPI总线空闲为高电平。
CPHA = 0， 在SCK第一个跳变沿采样，CPHA = 1, 在SCK第二个跳变沿采样。

1. 当CPHA=0、CPOL=0时SPI 总线工作在模式0。MISO 引脚上的数据在第一个时钟跳变之前已经输出了，而为了保证正确传输，MOSI 引脚的MSB 位必须与SCK 的第一个边沿同步。在模式0的SPI 传输过程中，首先将数据输出，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI 的接收方采样位信号，在时钟信号的一个周期结束时(下降沿)，下一位数据信号输出，再重复上述过程，直到规定的字节数传输结束。
2. 当CPHA=0、CPOL=1时SPI 总线工作在模式1。与模式0唯一不同之处只是在同步时钟信号的下降沿时采样位信号，上升沿时下一位数据输出。
3. 当CPHA=1、CPOL=0时SPI 总线工作在模式2。MISO 引脚和MOSI 引脚上的数据的MSB 位必须与SCK的第一个边沿同步，在SPI 传输过程中，在同步时钟信号周期开始时(上升沿)数据输出，然后在同步时钟信号的下降沿时，SPI 的接收方采样位信号，在时钟信号的一个周期结束时(上升沿)，下一位数据信号输出，再重复上述过程，直到规定的字节数传输结束。
4. 当CPHA=1、CPOL=1时SPI 总线工作在模式3。与模式2唯一不同之处只是在同步时钟信号的上升沿时采样位信号，下降沿时下一位数据输出。
   其中模式0和模式3最为常用

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2 SPI优劣

主要与IIC做对比，因为两者都是常用的芯片间通信方式。

• 优势：
  传输速度高，SPI并未限定最高速度。有的应用甚至高达10Mbps。
  全双工，但有的芯片没有MISO，则不支持。
  相较于I2C而言，SPI简单一些，编程容易，控制简单
  信号为单向信号，易于电隔离。尤其在工业产品中电气隔离在抗干扰方面、以及本质安全方面要求比较高。
  没有复杂的总线仲裁机制，相对健壮。

• 劣势：
  无寻址机制，需要额外的片选信号
  SPI总线对于多从模式支持不好，两种拓扑都无法支持很多从设备
  而且系统中也仅有一个主设备
  没有定义错误检测机制
  事实上的标准，但无正式标准
  与I2C一样也只是芯片间总线，无法长距离通信

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3 总结

SPI和IIC在鲁棒性方面都比较好。IIC之所以优雅，是因为它在极简的基础架构（两线SDA/SCL）上提供了非常先进的功能，例如自动多主机冲突处理和内置地址管理。但是它相对却非常复杂，在性能上或许有所欠缺。

另一方面，SPI非常易于理解和实施，并且为扩展提供了很大的灵活性。SPI的优雅之处在于简单性。SPI应该被视为构建用于IC之间通信的自定义协议栈的良好接口。因此，尽管使用SPI可能需要做更多的工作，但可以提供更高的数据传输性能和灵活的自由度。

如果一定要比较，则SPI和I2C都为低速设备的通信提供了良好的接口支持，但是SPI更适合点对点传输数据流的应用，而I²C则更适合于多主机“寄存器访问”应用。

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4 参考技术文档

万变不离其宗之SPI总线要点总结