SPI协议简笔

本文为对于SPI协议的简要整理。

协议概述

串行外设接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一种用于芯片通信的同步串行通信接口规范，主要应用于单片机系统中。类似IIC。这种接口首先由摩托罗拉公司于20世纪80年代中期开发，后发展成了行业规范。

SPI设备之间使用全双工模式通信，是一个主机和一个或多个从机的主从模式。主机负责初始化帧，这个数据传输帧可以用于读与写两种操作，片选线路可以从多个从机选择一个来响应主机的请求。

SPI是一种事实标准，也就是说这种规范没有对应的技术标准。因此各个厂家生产的SPI器件配置不一样，不一定有互操作性。

协议解析

物理层

SPI协议默认为标准四线制：

SCLK：串行时钟信号，由主机产生，决定了SPI的通信速率；

MOSI：主机数据输出，从机数据输入；

MISO：主机数据输入，从机数据输出；

SS：片选信号，由主机控制，用于选中SPI从机，低电平有效。

协议层

传输概况

主机先将时钟信号拉低，表示开始数据传送；
当接收端检测到时钟边沿信号时，立即读取数据线上的电平信号，得到1位数据；
主机发送数据到从机：主机产生相应的时钟信号，将数据从MOSI逐位（SPI协议并无明确规定是高位在先还是低位在先，需要主从双方约定）发送到从机；
主机接收从机数据：主机产生相应的时钟信号，从机从MISO将数据发送到主机；
数据的采集时机可能是时钟信号的上升沿或下降沿，具体由工作模式来决定。

时钟极性&时钟相位

在进行通信前，SPI主设备需要配置时钟极性CPOL和时钟相位CPHA，CPOL和CPHA共同决定数据的实际采样时刻。

CPOL=0：时钟的默认（空闲）状态为低电平；
CPOL=1：时钟的默认（空闲）状态为高电平；
CPHA=0：在时钟信号的第一个跳变沿采样；
CPHA=1：在时钟信号的第二个跳变沿采样。

综上所述，所有时钟配置组合如下（黑色：数据的采样时刻，蓝色：时钟信号）：

工作模式

SPI优点&缺点

优点

全双工串行通信；
数据传输速率高；
软件配置简单；
数据传输灵活，数据帧可以是任意大小的字；
硬件结构简单，从机不需要唯一地址，从机使用主机时钟，不需要收发器。

缺点

没有应答信号；
仅支持一个主机；
需要更多引脚；
没有定义硬件级别的错误检查协议；
相较之下，传输距离短。

举个栗子

两片AT89C51均通过软件模拟SPI的方式建立通信，主机循环发送数值0~9，从机将接收到的数值显示在数码管上且将该数值返回给主机，主机也将从机返回的数值显示在数码管上。

原理图

主机源码

#include<reg51.h>
#include<intrins.h>

sbit SCLK=P1^0;
sbit MOSI=P1^1;
sbit MISO=P1^2;
sbit SS=P1^3;

void Delay_ms()		//延时一段时间
{
	unsigned char i,j,k;
	_nop_();
	i=4;
	j=129;
	k=119;
	do
	{
		do
		{
			while(--k);
		}
		while(--j);
	}
	while(--i);
}

void Delay1ms()
{
	unsigned char i,j;
	_nop_();
	i=2;
	j=199;
	do
	{
		while(--j);
	}
	while(--i);
}

void SPI_M_Write(unsigned char dat)		//主机发送数据
{
	unsigned char i;
	SS=0;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if(dat&0x80)
		{
			MOSI=1;
		}
		else
		{
			MOSI=0;
		}
		dat<<=1;
		SCLK=1;
		_nop_();
		_nop_();
		SCLK=0;
		_nop_();
		_nop_();
	}
	SS=1;
	Delay1ms();
}

unsigned char SPI_M_Read()		//主机接收数据
{
	unsigned char i;
	unsigned char dat=0;
	SS=0;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		dat<<=1;
		dat|=MISO;
		SCLK=1;
		_nop_();
		_nop_();
		SCLK=0;
		_nop_();
		_nop_();
	}
	SS=1;
	return dat;
}

void main()
{
	unsigned char LEDS[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
	unsigned char i,temp;
	SCLK=0;
	P2=0x00;
	while(1)
	{
		for(i=0;i<10;i++)
		{
			SPI_M_Write(i);
			Delay_ms();
			temp=SPI_M_Read();
			P2=LEDS[temp];
			Delay_ms();
		}
	}
}

从机源码

#include<reg51.h>
#include<intrins.h>

sbit SCLK=P1^0;
sbit MOSI=P1^1;
sbit MISO=P1^2;
sbit SS=P1^3;

void Delay_ms()		//延时一段时间
{
	unsigned char i,j,k;
	_nop_();
	i=4;
	j=129;
	k=119;
	do
	{
		do
		{
			while(--k);
		}
		while(--j);
	}
	while(--i);
}

void SPI_S_Write(unsigned char dat)		//从机发送数据
{
	unsigned char i;
	while(SS==1);
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		while(SCLK==0);
		while(SCLK==1);
		dat<<=1;
		if(dat&0x80)
		{
			MISO=1;
		}
		else
		{
			MISO=0;
		}
	}
	while(SS==0);
}

unsigned char SPI_S_Read()		//从机接收数据
{
	unsigned char i;
	unsigned char dat=0;
	while(SS==1);
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		while(SCLK==0);
		while(SCLK==1);
		dat<<=1;
		dat|=MOSI;
	}
	while(SS==0);
	return dat;
}

void main()
{
	unsigned char LEDS[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
	unsigned char i,temp;
	P2=0x00;
	while(1)
	{
		for(i=0;i<10;i++)
		{
			temp=SPI_S_Read();
			P2=LEDS[temp];
			Delay_ms();
			SPI_S_Write(i);
			Delay_ms();
		}
	}
}

参考资料：