三大低速总线之SPI详解
本科阶段在搞硬件设计的时候就经常碰到三大低速总线(UART、SPI、IIC)，奈何好记忆不如烂笔头，趁着现在基于github搭建了个人博客，就把这三大低速总线的原理和应用做一个详细的总结吧，以便日后查阅。
1、SPI简介
SPI (Serial Peripheral Interface) 是一种同步通信协议，可以实现微控制器和外围设备之间的数据传输。它是一个全双工的主从协议，这意味着数据可以同时发送和接收。当主设备向从设备发送数据时，从设备可以将数据发送回主设备，而无需等待单独的读操作。它通常用于嵌入式系统，特别是需要高速数据传输的应用程序。
1.1、引脚配置： MOSI，MISO，SCLK 和 CS
SPI 通信需要四个引脚：
MOSI (Master Output Slave Input) : 主设备使用 MOSI 引脚向从设备传输数据。
MISO (Master Input Slave Output) : 从设备使用 MISO 引脚将数据传输回主设备。
SCLK (Serial Clock) : SCLK 引脚提供时钟信号，用于同步主从设备之间的数据传输。
CS (Slave Select) : CS 引脚被主设备用来选择它想要与之通信的从设备。
1.2、SPI 数据传输
数据传输可以由主设备或从设备启动。SPI 数据传输过程包括以下几个步骤：
选择从设备： 主设备通过拉低 CS 线低来选择从设备。这将告诉从设备它正在被寻址，并且应该准备接收或传输数据。
配置数据传输参数： 主设备设置数据传输参数，如时钟频率、数据格式和每个事务要传输的位数。
发送数据： 主设备通过 MOSI 线路向从设备发送数据。数据以串行格式发送，从最重要的位开始，一次一位。
接收数据： 在发送数据时，主设备也通过 MISO 线从从设备接收数据。接收到的数据也是串行格式，一次一位，从最有意义的位开始。
时钟数据： 数据传输由 SCK 线上的时钟信号同步。所述时钟信号由所述主设备产生，所述从设备将其数据传输与所述时钟信号同步。
完成数据传输： 数据传输完成后，主设备将拉高 CS 行，表明从设备不再被寻址。然后，从设备可以释放在数据传输期间使用的任何资源。
1.3、SPI 寄存器级数据传输
在寄存器级，数据一次在主设备和从设备之间传输一个字节。数据传输发生在设备中的特定寄存器之间。每个寄存器都包含一个需要传输的特定函数或数据。
主设备在 SCLK 线路上发送时钟信号来同步数据传输。
主设备将 MOSI 线设置为适当的逻辑电平，以便将字节的第一位发送给从设备。
从设备接收 MISO 线上的位并将其存储在移位寄存器中。
时钟信号被切换，字节的下一位由 MOSI 线上的主设备发送。
从设备接收 MISO 线上的位并将其移入移位寄存器。
这个过程一直持续到所有 8 位的字节都被传输完毕为止。
1.4、菊花链：连接多个设备
SPI 支持多个设备的菊花链，允许多个设备共享一个 SPI 总线。在菊花链配置中，每个从设备的 CS 引脚连接到前一个从设备的 MOSI 引脚，形成一个链。主设备发送单个 CS 信号，选择链路中的第一个从设备，然后通过发送数据和时钟信号与链路中的所有从设备进行通信。
1.5、错误检测，时钟极性和相位等方面
SPI 通信还包括其他方面，如错误检测、时钟极性和时钟相位。像 CRC (循环冗余校验) 这样的错误检测机制可以用来确保数据的完整性。时钟极性和时钟相位设置决定数据何时被采样和何时被传输，允许协议的灵活性。
SPI 总线传输一共有 4 种模式，这 4 种模式分别由时钟极性（CPOL，Clock Polarity）和时钟相位（CPHA，Clock Phase）来定义，其中 CPOL 参数规定了 SCLK 时钟信号空闲状态的电平，CPHA 规定了数据是在 SCLK 时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样。
时钟极性决定 SPI 总线空闲时的 SCLK 时钟信号是高电平还是低电平。
CPOL = 1：表示空闲时是高电平；
CPOL = 0：表示空闲时是低电平。
时钟相位决定 SPI 总线从哪个跳变沿开始采样数据。
CPHA = 0：在时钟信号SCK的第1个跳变沿采样；
CPHA = 1：在时钟信号SCK的第2个跳变沿采样。
| SPI 模式 | CPOL | CPHA | 空闲时 SCLK 时钟 | 数据采样时刻 | 数据切换时刻 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 低电平 | 上升沿 | 下降沿 |
| 1 | 0 | 1 | 低电平 | 下降沿 | 上升沿 |
| 2 | 1 | 0 | 高电平 | 下降沿 | 上升沿 |
| 3 | 1 | 1 | 高电平 | 上升沿 | 下降沿 |
1.6、SPI 的优缺点
1.6.1、优点
与 I2C 和 UART 等其他通信协议相比，SPI 有以下几个优点：
高速数据传输： 与其他协议相比，SPI 可以实现更高的数据传输速率，使其成为需要快速数据传输的应用程序的极佳选择。
低开销： 由于 SPI 对数据和时钟信号使用单独的线路，因此与通信协议相关的开销最小。
简单协议： SPI 是一个开销较少的简单协议，使其成为一些应用程序更有效的选择，易于在硬件和软件中实现。
全双工通信： SPI 允许在两个方向上同时传输数据，比其他需要单独读写操作的协议 (如 I2C) 更有效率。
灵活的配置： SPI 通信的不同模式允许灵活地配置通信的时间和极性，同时支持多个设备的菊花链，使其成为一些应用程序更灵活的选择。
1.6.2、缺点
使用 SPI 通信的一些缺点包括：
有限的距离： SPI 通常用于设备之间的短距离通信，不适合长距离通信。
设备数量有限： 尽管 SPI 允许多个设备连接到同一总线，但设备数量受到可用 CS 线路数量的限制。
缺乏错误检测： 与其他串行通信协议 (如 CAN) 不同，SPI 没有内置的纠错机制，这可能使其不太适合需要高可靠性的应用程序。