在现代电子设备中，通信接口的性能对于数据传输的效率和稳定性起着至关重要的作用。SPI（Serial Peripheral Interface）通信接口作为一种常见的通信方式，因其独特的优势在众多领域得到了广泛应用。今天，我们将深入探讨 SPI 通信的各个方面，通过详细的基础介绍、生动的动图展示、直观的时序图分析以及全面的总结，帮助大家更好地理解和掌握 SPI 通信。
SPI 是一种同步、全双工、主从式的通信接口，目前已经成为 MCU（微控制器）和外围设备之间常用的通信方式之一。其工作原理相对直接：由主机产生时钟信号，从机则依据这个时钟信号进行同步的数据收发操作。这种设计允许双向传输，即主从设备可以在同一时钟周期内进行数据交换，使得 SPI 通信既简单又高效，尤其适用于对数据传输速度有较高要求的场合。不过需要注意的是，SPI 并没有标准的通信协议，不同厂家生产的设备在具体实现上可能会存在差异，因此在实际应用中，务必仔细查阅芯片手册。
SPI 接口凭借其简单性和灵活性的优势，在多个领域都有广泛的应用。
- 传感器数据采集：例如温度传感器、IMU（惯性测量单元）等。以 TI 推出的工业级数字温度传感器 TMP124 为例，它采用高精度与 SPI 接口相结合的设计，非常适合对温度测量有严格要求的场景。
图 2：TMP124 温度传感器 - 存储器读写：常见的如 Flash、EEPROM 等存储器。小容量的 AT25040 常用于存储配置参数和校准数据，通过 SPI 接口可以实现快速、稳定的数据读写操作。
图 3：AT25040 存储器 - 数字信号转换：像通用 ADC（模拟 - 数字转换器）芯片 MCP4921，它是 Microchip 推出的低成本 12 位数字模拟转换器（DAC），以简单易用和 SPI 接口的组合为特点，适用于需要数字控制模拟输出的场景。
图 4：MCP4921 芯片 - 显示驱动：例如 OLED、TFT 屏幕等显示设备。以常用的 0.96 寸 OLED 屏为例，通常有 I2C 和 SPI 两种接口可供选择。虽然 SPI 接口会多占用两个 IO 口，但相比 I2C 接口，其数据传输速度要快很多。
SPI 接口有 3 线式和 4 线式两种，这里重点介绍常用的 4 线 SPI 接口。4 线 SPI 器件包含四个信号：
- 片选（CS）：片选信号，低电平有效，用于选择要通信的从设备。
- 时钟（SPI CLK，SCLK）：由主机产生的时钟信号，为数据传输提供同步基准。
- MOSI（主机输出，从机输入）：主机向从机发送数据的通道。
- MISO（主机输入，从机输出）：从机向主机发送数据的通道。
在连接主机和从机时，需要注意 MOSI 和 MISO 的接线方式，它与串口的 TX、RX 不同，主机的 MISO 应连接从机的 MISO，主机的 MOSI 应连接从机的 MOSI，采用直连方式，不进行交叉连接。判断主机的依据是产生时钟信号的器件即为主机，主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟信号同步。SPI 接口只能有一个主机，但可以连接一个或多个从机，主机通过片选信号来选择要通信的从机，片选信号通常为低电平有效，当片选信号拉高时，从机与 SPI 总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。
SPI 的工作速度典型范围在 1 MHz 至 100 MHz（4 Mbps 至 400 Mbps）之间，具体速率取决于器件的等级。消费级 IC 的工作速度一般在 1 - 10 MHz（4 - 40 Mbps），工业级器件的工作速度则可达到 10 - 25 MHz（40 - 100 Mbps）。不过在实际应用中，SPI 的工作速度会受到外设支持的限制，例如 Flash 芯片的工作速度可达 80 MHz，而传感器通常只能支持 8 MHz 的工作速度。与 I2C 接口相比，I2C 的速度相对较低，标准模式下为 100 Kbps，高速模式下理论值可达 5 Mbps，但 I2C 接口的优势在于占用的 IO 口较少，而 SPI 则以其快速的数据传输速度胜出。
SPI 的数据传输过程如下：首先，作为主控的主机需要产生时钟信号（SCLK），该信号就像通信的节拍器，为数据传输提供同步节奏。同时，主机通过拉低片选信号（CS）来选中要通信的从设备，片选信号通常为低电平有效，即主机需要给片选信号一个逻辑 0。SPI 的特点是全双工通信模式，这意味着主机可以在通过 MOSI 线向从机发送数据的同时，从机也能通过 MISO 线向主机发送数据，两边的数据传输是同时进行的。具体来说，主机将数据一位一位地放到 MOSI 线上进行移出操作，同时在 MISO 线上一位一位地接收从机发送的数据。所有的数据发送和接收操作都严格按照时钟信号的边沿进行，用户可以根据实际需求选择在时钟的上升沿或者下降沿来采样数据。每次通信要传输的数据位数取决于具体器件的规格书，不同芯片的要求可能会有所不同。
图 7：SPI 数据传输动图 1
图 8：SPI 数据传输动图 2
在数据传输过程中，需要注意以下三点：
- 时钟信号必须由主机产生，为数据传输提供同步基准。
- 片选信号（CS）需要提前拉低，以选中要通信的从机。
- 数据的收发是同步进行的，不是先发后收或者先收后发，这种设计使得 SPI 通信既简单又高效，非常适合需要快速传输数据的场合。
SPI 有 4 种工作模式，主要通过 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）两个参数来进行配置。
以下是 SPI 四种工作模式的时序图及特点：
- 模式 0：
图 10：SPI 模式 0 时序图
传输的开始和结束用绿色虚线表示，采样边沿用橙色虚线表示，移位边沿用蓝色虚线表示。需要注意的是，这些图形仅供参考，在实际进行 SPI 通信时，必须查阅器件的数据手册，并确保满足器件的时序规格。 - 模式 1：时钟极性为 0，表示时钟信号的空闲状态为低电平；时钟相位为 1，表示数据在下降沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升沿移出（由蓝色虚线显示）。
- 模式 2：时钟极性为 1，表示时钟信号的空闲状态为高电平；时钟相位为 1，表示数据在下降沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升沿移出（由蓝色虚线显示）。
- 模式 3：时钟极性为 1，表示时钟信号的空闲状态为高电平；时钟相位为 0，表示数据在上升沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的下降沿移出（由蓝色虚线显示）。
在实际应用中，多个从机可以与单个 SPI 主机一起使用，从机的连接方式主要有常规模式和菊花链模式两种。
在 SPI 常规连接模式下，主机必须为每个从设备单独配备一个片选信号线（CS）。当主机将某个从机的 CS 信号拉低时，该从机被选中，此时 MOSI 和 MISO 线上的时钟和数据信号就可以与这个特定的从机进行通信。需要注意的是，同一时间只能有一个从机的 CS 信号被拉低，如果同时拉低多个 CS 信号，会导致多个从机同时在 MISO 线上返回数据，造成数据冲突，主机将无法分辨这些数据的来源。随着系统连接的从机数量增加，主机需要提供的片选线数量也会相应增加，例如连接 8 个从机就需要 8 根独立的 CS 线，这会快速占用主机的 IO 口资源，从而限制了系统能够支持的从机数量。为了解决这个问题，可以采用一些扩展技术，如使用多路复用器（MUX）来产生片选信号，但这种方案会增加硬件复杂度，需要额外添加多路复用器芯片。
在 SPI 菊花链连接方式下，所有从设备共享同一个片选信号（CS），数据从一个从机传播到下一个从机。具体工作过程为：主机发出时钟信号（SCLK）后，数据首先传输到个从机，个从机将数据提供给第二个从机，以此类推，依次传递下去，所有从机都使用同一个时钟信号进行同步。这种连接方式的特点是数据传输需要更多的时钟周期。例如，在一个 8 位数据宽度的系统中，如果要让第三个从机收到数据，就需要 24 个时钟脉冲（3 个从机 ×8 位），而在常规 SPI 模式下只需要 8 个时钟脉冲。这是因为数据需要依次通过每个从机，每个从机都会对数据进行处理和转发。
需要注意的是，并非所有的 SPI 设备都支持菊花链模式，在使用这种连接方式之前，必须仔细查阅所用芯片的技术手册，确认其是否支持菊花链功能。有些芯片可能只支持常规的独立片选模式。此外，菊花链模式虽然节省了片选信号线，但会降低通信效率，因此在实际应用中需要根据具体需求进行权衡选择。
SPI 接口虽然结构相对简单，但在实际应用中需要注意诸多细节。首先，接线时要确保正确连接，主机和从机的 MOSI 和 MISO 应采用直连方式，不进行交叉连接。其次，要根据器件手册选择合适的工作模式，以确保通信的稳定性和正确性。，在使用多个从机时，要根据实际情况合理选择连接方式，权衡常规模式和菊花链模式的优缺点。如果在使用过程中遇到问题，可靠的方法是查阅器件的数据手册，以获取准确的技术信息和解决方案。
关键词：SPI 通信
