干货：SPI总线要点总结

SPI相对I2C而言，比较简单。本文来总结一下SPI总线个人认为比较重要的一些技术要点。

什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一种嵌入式系统中应用广泛的同步串行通信、主从架构式总线接口。80年代由摩托罗拉开发，已成为事实标准。

这句话里有几个关键要点：

同步、串行、通信、主从、总线。

要理解这些要点，先上图，一图胜千言：

常见的SPI接口有这样几个引脚：

SCLK: 串行时钟，总是主端负责输出(Master)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

MOSI:主出从入（Master Output Slave Input)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

MISO:主入从出(Master Input Slave Output)。总是由从端控制该信号，主端为输入采样。

SS:从选择信号(Slave Select)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

要理解上面这几个信号引脚的内涵，结合时序图，就比较容易理解了：

数字电路中，同步电路是一种通过时钟信号同步存储元件状态变化的数字电路。

主端>从端：

SS:主端发送低电平先选通从芯片，上面加帽表示低有效。啥意思呢？就是这个脚低电平期间选中从设备，主设备发送的时序报文对选中的从设备有效，其他挂载在总线上的设备忽略总线报文。

SCLK/SCK：发送同步移位时钟。

MOSI：将数据按照SCLK移位时钟周期，将数据移位发送至该引脚。被选中的从设备依照SCLK/SCK上升沿或者下降沿，按位采样，一般字节的高位在前，具体须遵从芯片手册时序定义。从端依赖SCK/SCLK对MOSI上的信号逐位采样，采样的位依次进入接收移位寄存器，完成对字节的重组。

当字节接收完成，再由后续数字电路进行处理。后续处理芯片实现各异，如是一个单片机则可能引发中断请求，如是特定功能数字芯片，则依据接收报文完成相应的功能处理。

从端>主端:

SS:主芯片发送低电平先选通从芯片。

SCLK/SCK：发送同步移位时钟。

MISO: 类似MOSI发送位流，依赖SCLK/SCK将位流依次发送至引脚上，主设备在同步时钟的跳变边沿采样该引脚，进而移位接收位流。

采样沿：SPI采用边沿触发采样，对MOSI/MISO上的位序列进行采样，实际芯片有下面两种方式

CPHA=0，表示上升沿采样

CPHA=1，表示下降沿采样

经过这些描述，解释了串行、同步、主从的概念。

什么是通信？

众所周知，计算机是一个二进制系统，所有的信息都是基于0/1进行编码、进行运行管理的。由0/1编码进而表示字符、文本、文件。那么SPI实现了底层的0/1码流的传递机制，能传递0/1，通过应用控制、很自然就能交换信息。

这是否有种一生二、二生三、三生万物的意思呢？

所以在研究各种通信总线的物理层时，就其本质而言都是界定如何对信息流的基本单元0/1进行编码、解码、收发的。

什么是SPI总线呢？

对于SPI总线而言，有两种拓扑：

独立片选拓扑：总线拓扑需要更多片选引脚，但通信效率高。信息直接在主从间传递

菊花链拓扑：节省引脚，但效率较低，数据信息传递需要级联传递。

独立片选拓扑

如上图：

每个从设备都有独立的片选引脚，主机同一时间段内，与一个从设备进行通信，也即选中一个从设备。

MOSI/MISO/SCLK并联在一起

MISO须是三态门，当从设备未选中时，该脚须设置为高阻态，而不能是输出态，否则会影响总线，这句话对于多从设备应用而言，请重点理解。尤其当用GPIO模拟SPI应用而言，须特别注意这一点！

对于MOSI/SCLK，虽然并联在一起，但是由于仅一个输出，多输入。输入引脚的阻抗本来就是高阻，所以不会有问题。

菊花链拓扑

有的芯片支持菊花链拓扑连接，这是何意呢？啥是菊花链呢？在电气和电子工程中，雏菊链是一种布线方案，其中多个设备按顺序或按环连接在一起，类似于雏菊的花环。其信息传递在链中流转。

SPI优缺点

优势：

传输速度高，SPI并未限定最高速度。有的应用甚至高达10Mbps。

全双工，但有的芯片没有MISO，则不支持。

相较于I2C而言，SPI简单一些，编程容易，控制简单

信号为单向信号，易于电隔离。尤其在工业产品中电气隔离在抗干扰方面、以及本质安全方面要求比较高。

没有复杂的总线仲裁机制，相对健壮。

劣势：

无寻址机制，需要额外的片选信号

SPI总线对于多从模式支持不好，两种拓扑都无法支持很多从设备，而且系统中也仅有一个主设备

没有定义错误检测机制

事实上的标准，但无正式标准

与I2C一样也只是芯片间总线，无法长距离通信

总结

或许有人会说I2C比SPI更好更为优越，SPI则相对简单粗暴。事实上做这样的对比，个人认为是没什么意义。

这两种协议在鲁棒性方面都比较好。I²C之所以优雅，是因为它在极简的基础架构（两线SDA/SCL）上提供了非常先进的功能，例如自动多主机冲突处理和内置地址管理。但是它相对却非常复杂，在性能上或许有所欠缺。

另一方面，SPI非常易于理解和实施，并且为扩展提供了很大的灵活性。