创盈

在嵌入式系统设计与开发的广阔领域中，串行通信协议扮演着至关重要的角色。其中，SPI（Serial Peripheral Interface）作为一种高效、灵活的同步串行通信接口规范，自20世纪80年代中期由摩托罗拉公司开发以来，已逐渐发展成为行业标准，广泛应用于各类微控制器（MCU）、传感器、存储器等外设之间的短距离通信。本文旨在深入探讨SPI的基本原理、工作模式、优缺点。

SPI简介

SPI是一种高速、全双工、同步的通信总线，其最大特点在于其简洁的硬件接口设计，通常仅需四根线（MOSI、MISO、SCLK、CS/SS）即可实现数据的双向传输。这种设计不仅极大地节省了芯片引脚资源，还使得SPI在资源受限的嵌入式系统中尤为受欢迎。SPI广泛应用于EEPROM、FLASH、ADC、DAC等芯片，以及数字信号处理器与解码器之间的通信，成为嵌入式系统内部通信的重要桥梁。

SPI通信机制

SPI通信采用主从模式，一个SPI主机可以连接一个或多个从机。主机负责初始化通信帧，通过片选线（CS/SS）选择特定的从机进行通信。在通信过程中，主机和从机通过MOSI（主设备输出/从设备输入）和MISO（主设备输入/从设备输出）两根数据线进行全双工数据传输。SCLK（串行时钟）线由主机控制，为数据传输提供同步时钟信号。

SPI的每个时钟周期内都会进行一次全双工数据的传输。主机通过MOSI发送数据的同时，从机通过MISO返回数据，实现了数据的即时交换。这种机制使得SPI在需要高速数据传输的场合下表现出色。

SPI的四种工作模式

SPI通信定义了四种不同的工作模式，通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个参数来区分。CPOL决定了SCLK在空闲状态时的电平高低，而CPHA则决定了数据位相对于时钟信号的采样时刻。这四种模式为SPI设备之间的灵活配置提供了可能，但同时也要求通信双方必须工作在相同的模式下。

模式0（CPOL=0, CPHA=0）：SCLK空闲时为低电平，数据在时钟前沿被采样，后沿改变。

模式1（CPOL=0, CPHA=1）：SCLK空闲时为低电平，数据在时钟后沿被采样，前沿改变。

创盈模式2（CPOL=1, CPHA=0）：SCLK空闲时为高电平，数据在时钟前沿被采样，后沿改变。

模式3（CPOL=1, CPHA=1）：SCLK空闲时为高电平，数据在时钟后沿被采样，前沿改变。

理解并正确配置SPI的工作模式对于确保通信的顺利进行至关重要。

SPI协议的优缺点

优点：

高速传输：SPI不受最大时钟速度限制，可以实现高速数据传输，适用于对速度要求较高的应用场景。

接口简单：仅需四根线即可实现全双工通信，大大节省了芯片引脚资源。

创盈低功耗：外围电路简单，上拉电阻使用少，相比I2C等协议功耗更低。

灵活性高：支持多种工作模式，便于与不同从机设备兼容。

创盈从机无需唯一地址：简化了系统设计的复杂性。

缺点：

无带内寻址：SPI协议本身不支持设备寻址，需要通过外部逻辑（如片选线）来选择从机。

创盈模式切换复杂：当使用多个不同模式的从机时，主机需要频繁切换模式，影响通信效率。

无硬件流控：只能通过软件控制来避免数据溢出或丢失。

创盈短距离通信：适用于板内或近距离通信，不适合长距离传输。