四线制SPI通讯-SPI协议

外设接口(SPI)是微控制器和外围 IC(如传感器、ADC、DAC、 移位寄存器、SRAM等)之间使用最广泛的接口之一。

SPI是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI接口可以是3线式或4线式。本文重点介绍常用的4线SPI接口。

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200。

SPI 接 口
4线SPI器件有四个信号：

• 时钟(SPICLK,SCLK)
• 片选(CS)主机输出
• 从机输入(MOSI)主机输入
• 从机输出(MISO)
  

产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的时钟频率。用户应查阅产品数据手册以了解SPI接口的时钟频率规格。

SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。下图显示了主机和从机之间的SPI连接。

SPI含主机和从机的SPI配置

SPI含主机和从机的SPI配置

来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。
MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。

数据传输
要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能CS信号选择从机。片选通常是低电平有效信号。因此，主机必须在该信号上发送逻辑0以选择从机。
SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。在SPI通信期间，数据的发送(串行移出到MOSI/SDO总线上)和接收(采样或读入总线(MISO/SDI)上的数据)同时进行。串行时钟沿同步数据的移位和采样。

SPI接口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。欲确定使用SPI接口传输的数据位数，请参阅器件数据手册。

时钟极性和时钟相位
在SPI中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。在空闲状态期间，CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。CPHA位选择时钟相位。

根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。下表显示了这4种SPI模式。

通过CPOL和CPHA选择SPI模式

通过CPOL和CPHA选择SPI模式

SPI的最大时钟频率
一般情况下，SPI模块的最大时钟频率为系统时钟频率的1/2。虽然SPI的传输速率主要受限于CPU处理SPI数据的能力，但在同另一个非常高速率的SPI设备通讯时，SPI的最大时钟频率将有可能制约其传输速率。

SPI最大传输速率
SPI作为master或slave时可以达到的最大传输速率是多少 ？
SPI最大传输速率受以下几个条件影响：

• SPI的最大时钟频率
• CPU处理SPI数据的能力
• 输出端驱动能力（PCB所允许的最大信号传输速率）
  

STM32的SPI时钟最快多少?

STM32的SPI通信频率

1）fPCLK不是CPU频率，而是外设总线的频率。

2）STM32的SPI时钟最快是18MHz，这是芯片设计时决定的。

3）STM32的SPI1在APB2上，SPI2和SPI3在APB1上，APB1的最高频率是36MHz，APB2的最高频率是72MHz；因此，为了不超过最高18MHz的设计要求，配置SPI2和SPI3时可以使用fPCLK/2的选项，而配置SPI1时则不能使用fPCLK/2的选项。

Select the BR[2:0] bits to define the serial clock baud rate (see SPI_CR1 register).
Bits 5:3 BR[2:0]: Baud rate control
000: fPCLK/2
001: fPCLK/4
010: fPCLK/8
011: fPCLK/16
100: fPCLK/32
101: fPCLK/64
110: fPCLK/128
111: fPCLK/256。

SPI总线是一种4线总线，因其硬件功能很强，所以与SPI有关的软件就相当简单，使中央处理器（Central Processing Unit，CPU）有更多的时间处理其他事务。正是因为这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200。SPI是一种高速、高效率的串行接口技术。通常由一个主模块和一个或多个从模块组成，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。SPI是一个环形结构，通信时需要至少4根线（事实上在单向传输时3根线也可以） 。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。

• （1）MISO– Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出；
• （2）MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
• （3）SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
• （4）CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。
  

其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说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。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。

时钟信号线SCLK只能由主设备控制，从设备不能控制。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主设备。这样的传输方式有一个优点，在数据位的传输过程中可以暂停，也就是时钟的周期可以为不等宽，因为时钟线由主设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。芯片集成的SPI串行同步时钟极性和相位可以通过寄存器配置，IO模拟的SPI串行同步时钟需要根据从设备支持的时钟极性和相位来通讯。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。