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SPI简述

news 2026/7/24 2:21:13

本文章是对SPI串行外设接口的简要总结描述，希望里面的内容可以让大家对SPI有更加直观的了解，文中若存在表述不妥或错误之处，欢迎各位批评指正。。

定义

一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口。

作用

主要用于主控制器与外设从设备之间的高速同步串行通信。

优点

1.无起始位和停止位，因此数据位可以连续传输而不会被中断；
2.没有像I2C这样复杂的从设备寻址系统；
3.数据传输速率比I2C更高（几乎快两倍）；
4.分离的MISO和MOSI信号线，因此可以同时发送和接收数据；
5.极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
6.非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

缺点

1.使用四根信号线（I2C和UART使用两根信号线）；
2.无法确认是否已成功接收数据（I2C拥有此功能）；
3.没有任何形式的错误检查，如UART中的奇偶校验位；
4.只允许一个主设备；
5.没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
6.没有定义硬件级别的错误检查协议；
7.与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

主从模式简述

SPI有主、从两种模式，通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI不支持多主机），主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。
提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

一主一从模式：

一主多从模式：

通信原理简述

SPI通信原理很简单，需要至少4根线，单向传输时3根线，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）和CS/SS（片选）：
MISO（ Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出；
MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入；
SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；
CS/SS（Chip Select/Slave Select）：从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。

SPI通信流程

1、主设备发起信号，将CS/SS拉低，启动通信。

2、主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低），因为SPI有四种模式，后面会讲到），它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）。

3、主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓存区（Menory），缓存区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。

4、从机（Slave）也将自己的串行移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置）中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

下面是主机发送0x53，主机接收0x46：

这里有一点需要着重说明一下：SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。若只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节（虚拟数据）；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

SPI通信特性

1.时钟极性与时钟相位

CKP（时钟极性）：

CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。
CKE（时钟相位）：
CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

2.四种工作模式

Mode0：CKP=0，CKE =0：当空闲态时，SCK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿（准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。
Mode1：CKP=0，CKE=1：当空闲态时，SCK处于低电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。
Mode2：CKP=1，CKE=0：当空闲态时，SCK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。
Mode3：CKP=1，CKE=1：当空闲态时，SCK处于高电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。
数据采集和数据发送必须在不同边沿进行