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 SPI匯流排：單一主机對單一从机 |
SPI匯流排：單一主机對複合从机
串行外设接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一种用于短程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I²C。
这种接口首先被Motorola（摩托罗拉）公司开发，然后发展成了一种行业规范。典型应用包含SD卡和液晶显示器。
SPI设备之间使用全双工模式通信，包含一个主机和一个或多个从机。主机产生待读或待写的帧数据，多个从机通过一个片选线路
决定哪个来响应主机的请求。
有时SPI接口被称作四线程接口，SPI准确来讲称为同步串行接口，但是与同步串行接口协议（SSI）不同，SSI是一个四线程
同步通信协议，但是使用差分信号输入同时仅提供一个单工通信信道。
目录
1 接口
2 操作
2.1 数据传输
2.2 独立的从设备配置
2.3 中断
2.4 SPI代码示例
3 优点和缺点
3.1 优点
3.2 缺点
4 參見
5 外部連結
接口
SPI总线规定了4个保留逻辑信号接口：
- SCLK（Serial Clock）：串列时脈，由主机发出
- MOSI（Master Output,Slave Input）：主机输出从机输入信号，由主机发出
- MISO（Master Input,Slave Output）：主机输入从机输出信号，由从机发出
- SS（Slave Selected）：選擇信号，由主机发出，一般是低電位有效
尽管上面的引脚名称是最常用的，但在过去，有时会使用其他引脚命名约定，因此旧IC产品的SPI端口引脚名称可能有所不同。
操作
SPI总线可以在有单个主设备与一个或多个从设备的情况下运行。
如果使用单个从设备，则如果从设备允许，SS引脚可以固定为逻辑低电平。 一些从设备需要片选信号的下降沿来启动一个动作。 Maxim MAX1242 ADC就是一个例子，它在高→低转换时开始转换。 对于多个从设备，每个从设备都需要一个独立的SS信号。
大多数从属设备具有三态输出的特性，所以当器件未被选中时，它们的MISO信号变为高阻抗 （ 逻辑断开 ）。 没有三态输出的器件不能与其他器件共享SPI总线段; 只有一个这样的从设备可以与主设备交换信息。
数据传输
为了开始通信，总线上的主设备需要使用从设备支持的频率来配置时钟，通常是几个MHz。 然后主设备将某根连接到从设备SS的线上的信号置为0来选中这个从设备。 如果需要等待一段时间（例如进行模数转换），主器件在发出时钟周期之前必须至少等待这段时间。
在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。 主设备在MOSI线上发送一个位，从设备读取它，同时从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。 即使只有单向数据传输的目的，工作方式仍然是双工的。
传输通常会使用到给定字长的两个移位寄存器，一个在主设备中，一个在从设备中; 它们以虚拟环形拓扑连接。 数据通常先移出最大的位。 在时钟边沿，主机和从机均移出一位，然后在传输线上输出给对方。 在下一个时钟沿，每个接收器都从传输线接受该位，并设置为移位寄存器的新的最低有效位。 在完成这样一个移出-移入的周期后，主机和从机就交换寄存器中的一位。 如果需要更多的数据交换，则需要重新加载移位寄存器并重复该过程。 传输可能会持续任意数量的时钟周期。 完成后，主设备会停止切换时钟信号，并通常会取消选择从设备。
传输寄存器通常包含8位。 但是，其他字长也很常见，例如，用于触摸屏控制器或音频编解码器的16位（如德州仪器的TSC2101），或者用于许多数字-模拟或模拟-数字转换的12位。
未使用片选线激活的总线上的每个从设备必须忽略输入时钟和MOSI信号，并且不得驱动MISO。
独立的从设备配置
在独立的从设备配置中，每个从设备都有独立的芯片选择线。 强烈建议在每个独立器件上使用电源和片选线之间使用上拉电阻，以减少器件之间的串扰。
这是SPI通常被使用的方式。 由于从机的MISO引脚连接在一起，因此它们需要为三态引脚（高，低或高阻抗）。
中断
SPI从设备有时会使用另一条信号线将中断信号发送到主设备的CPU。 例子包括来自触摸屏传感器的笔下中断，来自温度传感器的热限制警报，实时时钟芯片发出的警报， SDIO以及来自手机中声音编解码器的耳机插孔插入。 SPI标准中并不包括中断。 中断的使用既不被禁止也不被标准规定。
SPI代码示例
/*
* 通过SPI协议在主设备和从设备之间交换一个字节的数据
*
* Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
* - 输入数据在SCLK的上升沿捕获。
* - 输出数据在SCLK的下降沿传播。
*
* 返回接收到的一字节的数据
*/
uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out)
{
uint8_t byte_in = 0;
uint8_t bit;
for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {
/* Shift-out a bit to the MOSI line */
write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);
/* Delay for at least the peer's setup time */
delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);
/* Pull the clock line high */
write_SCLK(HIGH);
/* Shift-in a bit from the MISO line */
if (read_MISO() == HIGH)
byte_in |= bit;
/* Delay for at least the peer's hold time */
delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);
/* Pull the clock line low */
write_SCLK(LOW);
}
return byte_in;
}
优点和缺点
优点
- SPI协议默认是全双工通信。
- 推挽式驱动器 （与开路漏极相反）可提供良好的信号完整性和高速度
- 比I²C或SMBus更高的吞吐量 。 不限于任何最大时钟速度，可实现高速运行
- 完整的传输位协议灵活性
- 不限于8位字
- 消息大小，内容和目的的任意选择
- 非常简单的硬件接口
- 由于电路较少（包括上拉电阻），因此通常比I²C或SMBus的功耗要低，
- 没有仲裁或相关的失败模式
- 从设备直接使用主时钟，不需要精密振荡器
- 从站不需要唯一的地址 - 不像I²C或GPIB或SCSI
- 不需要收发器
- IC封装只使用四个引脚，而电路板布局或连接器则少于并行接口
- 每个器件至多有一个独特的总线信号（芯片选择）;其他信号均可以共享
- 信号是单向的，允许简单的电偶分离
- 简单的软件实现
缺点
- 即使是三线式SPI，也需要比I²C更多的IC封装引脚
- 没有带内寻址; 共享总线上需要带外片选信号
- 从机没有硬件流量控制 （但主机可以延迟下一个时钟边沿以降低传输速率）
- 没有硬件从设备确认（主机可能无法传输并且不知道这一点）
- 通常只支持一个主设备（取决于设备的硬件实现）
- 没有定义错误检查协议
- 没有正式的标准，验证一致性是不可能的
- 与RS-232 ， RS-485或CAN总线相比，它只能处理短距离内的数据传输。 （距离可以通过使用收发器如RS-422进行扩展）
- 有许多现有的变体，使得很难找到支持这些变体的主机适配器等开发工具
- SPI不支持热交换 （动态添加节点）。
- 中断必须通过带外信号来实现，或者通过使用类似于USB 1.1和2.0的定期轮询来伪造
- 一些变体，如双路SPI ， 四路SPI和三线SPI是半双工的。
參見
- I²C
- 网络总线列表
外部連結
Introduction to Serial Peripheral Interface article on embedded.com- Serial buses information page
SPI Introduction with helpful diagrams
Serial Flash Lots of good information on SPI part manufacturers and models.
SPI - PICmicro Serial Peripheral Interface Microchip (company) tutorial on SPI.
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