SPI通信协议，一篇文章给你讲得明明白白！

目录一、SPI是什么二、4根线就能通信含电路连接图三、工作模式时钟极性与相位CPOL CPHA四、数据到底怎么传含波形图详解五、多个从设备怎么办六、SPI的优缺点七、总结一、SPI是什么SPISerial Peripheral Interface是一种高速、全双工、同步的串行通信总线由摩托罗拉推出。只需要几根信号线就能让主设备Master和从设备Slave高效地交换数据大量用于传感器、Flash存储、显示屏等板级通信场景。二、4根线就能通信含电路连接图标准 SPI 使用 4 根信号线信号方向作用SCLK(Serial Clock)主→从时钟线主设备控制通信节奏MOSI(Master Out Slave In)主→从主设备发给从设备的数据线MISO(Master In Slave Out)从→主从设备发给主设备的数据线SS/CS(Slave Select/Chip Select)主→从片选低电平有效用于选中特定从设备一主一从的电路连接示意图如下连接要点所有信号同名相连SCLK 接 SCLKMOSI 接 MOSIMISO 接 MISOSS 接 SS。MOSI的方向是主出从入MISO的方向是从出主入不要接反。GND必须共地提供参考电平。SS 线由主设备的一个普通 GPIO 控制不一定是专用 SS 引脚低电平时通信有效高电平时从设备忽略总线。通俗比喻主设备是老师从设备是学生。老师拍桌子打节拍SCLK同时对小明说话MOSI小明也能同时回话MISO。老师想让谁发言就用手指谁SS拉低选中。三、工作模式时钟极性与相位CPOL CPHASPI 有 4 种工作模式由CPOL时钟极性和CPHA时钟相位两个参数决定。主从双方必须选择相同的模式才能正常通信。CPOL决定总线空闲时时钟线的电平CPOL0空闲时为低电平CPOL1空闲时为高电平CPHA决定数据在哪个时钟边沿被采样CPHA0第一个边沿采样奇边沿CPHA1第二个边沿采样偶边沿4种模式如下表模式编号为常见习惯模式CPOLCPHA空闲时 SCLK 电平数据采样边沿000低上升沿101低下降沿210高下降沿311高上升沿SPI的4种模式的SCL波形采样示意图如下要点大多数器件默认支持模式0或模式3具体需要查看数据手册。模式选择错误会导致数据错位或完全无法通信。四、数据到底怎么传含波形图SPI 的传输过程可以看作主、从设备内的两个移位寄存器手拉手串联形成一个循环移位环路。一次典型的字节传输过程主设备将 SS 拉低选中目标从设备。主设备在 SCLK 上产生时钟脉冲。每个时钟周期主设备在 MOSI 上移出 1 bit同时从设备在 MISO 上移出 1 bit双方同时收发。传输完 8 个或多个时钟脉冲后一字节交换完成主设备拉高 SS 结束通信。SPI模式0的波形示意图如下SPI 模式0 发送一个字节的真实波形对照ASCII 示意图波形解读模式0CPOL0, CPHA0X表示高阻态SCLK 空闲时保持低电平。SS 拉低后传输正式开始。第一个时钟上升沿↑主、从设备同时将各自的最高位MSB放到数据线上并在该边沿被对方采样锁存。随后时钟下降沿数据保持不变双方准备下一位。每个上升沿采样 1 位数据经过 8 个时钟周期一个完整的字节交换结束。SS 拉高总线恢复空闲。图中示例主设备 MOSI 依次发出1 0 1 0 0 1 0 1即 0xA5同时从设备 MISO 发回0 1 0 1 1 0 1 0即 0x5A。这就是全双工每发送一位也同时接收到一位双方像在交换礼物。如果是其他模式采样边沿和空闲电平会变化但环形移位的思想完全一致。五、多个从设备怎么办当总线上挂载多个从设备时SPI 通常采用以下两种拓扑1. 独立片选法最常用每个从设备各自独占一根 SS 线主设备通过不同的 GPIO 引脚分别控制。任意时刻只拉低一个 SS选中对应设备进行通信。优点软件简单各设备独立互不干扰。缺点增加一个从设备就多一根引脚。独立片选法的电路连接示意图如下2. 菊花链法将多个从设备首尾串联前一个设备的 MISO 接后一个设备的 MOSI所有设备共用同一根 SCLK 和 SS。通信时数据像链条一样依次经过所有设备。优点节省片选引脚。缺点所有设备必须同时参与传输灵活性低常用于相同类型器件的级联。菊花链法的电路连接示意图如下六、SPI的优缺点优点全双工通信效率高时钟频率可达数十 MHz数据传输快协议极简硬件开销小易于实现不限制数据字长8 bit、16 bit、32 bit 均可缺点没有标准硬件应答机制主设备无法确认从设备是否正确接收每增加一个从设备需额外片选线多设备时引脚消耗大只能主设备发起通信从设备不能主动通知主设备通信距离有限通常只适用于同一电路板内七、总结SPI 靠 4 线实现高速全双工接线简单SCLK、MOSI、MISO 同名相连SS 独立控制。CPOL/CPHA决定了四种时序模式主从必须匹配看懂波形图就能快速判断模式。片选信号是扩展多从设备的核心独立片选方案最为普遍。尽管没有应答和从机主动通知能力但凭借简单高速的优势SPI 依然是嵌入式领域最受欢迎的总线之一。希望这篇纯协议、带电路连接图与波形图的精简讲解能帮你构建清晰的 SPI 底层认知。如有疑问欢迎评论区交流如果觉得有用不妨点赞、收藏让更多朋友看到~