1.SPI hardware

SPI：Serial Perripheral Interface，串行外圍設備接口，由 Motorola 公司提出，是一種高速、全雙工、同步通信總線。SPI 以主從方式工作，通常是有一個主設備和一個或多個從設備，無應答機制。

本文我們講解標準的 4 線 SPI，四根線如下：

①CS/SS，Slave Select/Chip Select，片選信號線，用于選擇需要進行通信的從設備。

②SCK，Serial Clock，串行時鐘，和 I2C 的 SCL 一樣，為 SPI 通信提供時鐘。

③MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，主輸出從輸入。

④MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，主輸入從輸出。

2.SPI 四種工作模式

SPI 有四種工作模式，通過時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)的搭配來得到四種工作模式：

①、CPOL=0，串行時鐘空閑狀態為低電平。
②、CPOL=1，串行時鐘空閑狀態為高電平。
③、CPHA=0，串行時鐘的第一個跳變沿(上升沿或下降沿)采集數據。
④、CPHA=1，串行時鐘的第二個跳變沿(上升沿或下降沿)采集數據。

示例波形圖如下：

SPI 是全雙工的，所以讀寫時序可以一起完成。

3.SPI 傳輸機制

從圖可以看出，主機和從機都有一個串行移位寄存器，主機通過向它的 SPI 串行寄存器寫入一個字節來發起一次傳輸。寄存器通過 MOSI 信號線將字節傳送給從機，從機也將自己的移位寄存器中的內容通過 MISO 信號線返回給主機。這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。

外設的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節;反之，若主機要讀取從機的一個字節，就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸。

雖然 SPI 四線制支持讀寫同時進行，但實際上我們很多時候并不需要又讀又寫，見以下兩種情況(參考 BMA223 數據手冊)：

注意：如下三幅圖示均為 CPOL=1，CPHA=1

（1）主機向從機寫數據

主機發送先發送 8 bits，第一個 bit 為 0 代表這次主機是想寫數據到從機，AD6~AD0 表示要寫的寄存器地址。然后，主機就會一直寫下去。在這期間 SDO 一直沒用，一直是高阻態，算是一直讀到1。

（2）主機從從機讀數據

這種情況下，主機先發送 8 bits，第一位為 1 代表這次是讀，然后 AD6 ~ AD0 是想要讀的寄存器地址，然后 SDO 開始返回數據。

4.SPI timing diagram

Tcsb_setup：建立時間
Tcsb_hold：保持時間
tsckl：低電平時間
tsckh：高電平時間
SCK period ：Tsckl + tsckh
一般情況下 Tsckl = tsckh

注意：真實的波形圖如上，高低電平并不是到達最高點才算，0.3Vdd 以下為低電平，0.7Vdd 以上為高電平，計算信號時間長度的時候需要注意這個微小的時間，硬件設計必須注意信號質量風險，軟件開發人員也要會看波形圖。

這里的參數，一般 spi 驅動不需要設置，但是半導體廠商提供的 spi 控制器驅動中，可以修改這些參數。我們寫 SPI 驅動時候，可以根據從設備的要求來修改這些參數。

5.DMA 與 FIFO

不同平臺對于 SPI FIFO 和 DMA 的 buffer size 設置不同：

傳輸 32bytes 以下使用 FIFO，傳輸 32bytes 以上使用 DMA。

DMA 可以自動發起多次傳輸，一次最大 256K 。

6.I2C 與 SPI 對比

I2C 和 SPI 的速率如下：

SPI 速率：幾十 MHz 甚至上百 MHz，速度取決于 CPU 的 SPI 控制器和時鐘 clock

STM32F103 的 SPI 最高支持 18MHz，imx6ull 的 SPI 最高支持 52MHz，其他芯片一般用不到更高的，因為速度越快波形質量越不好，越容易出問題。

具體采用多大速率還和外設有關，比如 EEPROM 的 W25Q128 的 SPI 最高支持 80MHz，ICM20608 傳感器的 SPI 最高支持8MHz。一般用在 flash 上的速度會較快。

7.擴展

SPI 協議其實是包括：Standard SPI、Dual SPI 和 Queued SPI 三種協議接口。

Dual SPI 還是四線制，只是傳輸線可以變為同方向，速度是 Standard SPI 的兩倍。

Queued SPI 是六線制，多了兩根數據線，傳輸速度是 Standard SPI 的四倍。