弄懂SPI接口

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SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是Motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准，在很多器件中被广泛应用。

1. 接口

SPI接口经常被称为4线串行总线，以主/从方式工作，数据传输过程由主机初始化。如图1所示，其使用的4条信号线分别为：

1) SCLK：串行时钟，用来同步数据传输，由主机输出；

2)MOSI：主机输出从机输入数据线；

3)MISO：主机输入从机输出数据线；

4) SS：片选线，低电平有效，由主机输出。

在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机，主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。

2. 数据传输

在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：

1) 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；

2) 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。

这是通过移位寄存器来实现的。如图2所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

3. 时钟极性和时钟相位

在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA或UCCKPH）。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。

主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。

举例来说，分别选取MSP430控制器和OLED驱动SH1101A为主从机，图3和图4为它们的SPI时序。由图4可知，SH1101A的SPI时钟空闲时为高电平，并且在后时钟沿接收数据，则MSP430控制器SPI的设置应与此保持一致。从图3中可以看出，要使得时钟在空闲时为高电平，应将UCCKPL置1；要使得在后时钟沿接收数据，应将UCCKPH清零。

4. 优缺点

SPI接口具有如下优点：

1) 支持全双工操作；

2) 操作简单；

3) 数据传输速率较高。

同时，它也具有如下缺点：

1) 需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；

2) 只支持单个主机。