一、概述

SPI，串行外圍設備接口，是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術.SPI總線在物理上是通過接在外圍設備微控制器（PICmicro）上面的微處理控制單元（MCU）上叫作同步串行端口（SynchronousSerialPort）的模塊（Module）來實現的，它允許MCU以全雙工的同步串行方式，與各種外圍設備進行高速數據通信。

SPI主要應用在EEPROM，Flash，實時時鐘（RTC），數模轉換器（ADC），數字信號處理器（DSP）以及數字信號解碼器之間。它在芯片中只占用四根管腳（Pin）用來控制以及數據傳輸，節約了芯片的pin數目，同時為PCB在布局上節省了空間。正是出于這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片上都集成了SPI技術。

二、特點

1、采用主-從模式（Master-Slave）的控制方式

SPI規定了兩個SPI設備之間通信必須由主設備（Master）來控制次設備（Slave）。一個Master設備可以通過提供Clock以及對Slave設備進行片選（SlaveSelect）來控制多個Slave設備，SPI協議還規定Slave設備的Clock由Master設備通過SCK管腳提供給Slave設備，Slave設備本身不能產生或控制Clock，沒有Clock則Slave設備不能正常工作。

2、采用同步方式（Synchronous）傳輸數據

Master設備會根據將要交換的數據來產生相應的時鐘脈沖（ClockPulse），時鐘脈沖組成了時鐘信號（ClockSignal），時鐘信號通過時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）控制著兩個SPI設備間何時數據交換以及何時對接收到的數據進行采樣，來保證數據在兩個設備之間是同步傳輸的。

3、數據交換（DataExchanges）

SPI設備間的數據傳輸之所以又被稱為數據交換，是因為SPI協議規定一個SPI設備不能在數據通信過程中僅僅只充當一個“發送者（Transmitter）”或者“接收者（Receiver）”。在每個Clock周期內，SPI設備都會發送并接收一個bit大小的數據，相當于該設備有一個bit大小的數據被交換了。

一個Slave設備要想能夠接收到Master發過來的控制信號，必須在此之前能夠被Master設備進行訪問（Access）。所以，Master設備必須首先通過SS/CSpin對Slave設備進行片選，把想要訪問的Slave設備選上。

在數據傳輸的過程中，每次接收到的數據必須在下一次數據傳輸之前被采樣。如果之前接收到的數據沒有被讀取，那么這些已經接收完成的數據將有可能會被丟棄，導致SPI物理模塊最終失效。因此，在程序中一般都會在SPI傳輸完數據后，去讀取SPI設備里的數據，即使這些數據（DummyData）在我們的程序里是無用的。

三、工作機制

1、概述

上圖只是對SPI設備間通信的一個簡單的描述，下面就來解釋一下圖中所示的幾個組件（Module）：

SSPBUF，SynchronousSerialPortBuffer，泛指SPI設備里面的內部緩沖區，一般在物理上是以FIFO的形式，保存傳輸過程中的臨時數據；

SSPSR，SynchronousSerialPortRegister，泛指SPI設備里面的移位寄存器（ShiftRegitser），它的作用是根據設置好的數據位寬（bit-width）把數據移入或者移出SSPBUF；

Controller，泛指SPI設備里面的控制寄存器，可以通過配置它們來設置SPI總線的傳輸模式。

通常情況下，我們只需要對上圖所描述的四個管腳（pin）進行編程即可控制整個SPI設備之間的數據通信：

SCK，SerialClock，主要的作用是Master設備往Slave設備傳輸時鐘信號，控制數據交換的時機以及速率；

SS/CS，SlaveSelect/ChipSelect，用于Master設備片選Slave設備，使被選中的Slave設備能夠被Master設備所訪問；

SDO/MOSI，SerialDataOutput/MasterOutSlaveIn，在Master上面也被稱為Tx-Channel，作為數據的出口，主要用于SPI設備發送數據；

SDI/MISO，SerialDataInput/MasterInSlaveOut，在Master上面也被稱為Rx-Channel，作為數據的入口，主要用于SPI設備接收數據；

SPI設備在進行通信的過程中，Master設備和Slave設備之間會產生一個數據鏈路回環（DataLoop），就像上圖所畫的那樣，通過SDO和SDI管腳，SSPSR控制數據移入移出SSPBUF，Controller確定SPI總線的通信模式，SCK傳輸時鐘信號。

2、Timing.

上圖通過Master設備與Slave設備之間交換1Byte數據來說明SPI協議的工作機制。

首先，在這里解釋一下兩個概念：

CPOL：時鐘極性，表示SPI在空閑時，時鐘信號是高電平還是低電平。若CPOL被設為1，那么該設備在空閑時SCK管腳下的時鐘信號為高電平。當CPOL被設為0時則正好相反。

CPHA：時鐘相位，表示SPI設備是在SCK管腳上的時鐘信號變為上升沿時觸發數據采樣，還是在時鐘信號變為下降沿時觸發數據采樣。若CPHA被設置為1，則SPI設備在時鐘信號變為下降沿時觸發數據采樣，在上升沿時發送數據。當CPHA被設為0時也正好相反。

上圖里的“Mode1，1”說明了本例所使用的SPI數據傳輸模式被設置成CPOL=1，CPHA=1.這樣，在一個Clock周期內，每個單獨的SPI設備都能以全雙工（Full-Duplex）的方式，同時發送和接收1bit數據，即相當于交換了1bit大小的數據。如果SPI總線的Channel-Width被設置成Byte，表示SPI總線上每次數據傳輸的最小單位為Byte，那么掛載在該SPI總線的設備每次數據傳輸的過程至少需要8個Clock周期（忽略設備的物理延遲）。因此，SPI總線的頻率越快，Clock周期越短，則SPI設備間數據交換的速率就越快。

3、SSPSR.

SSPSR是SPI設備內部的移位寄存器（ShiftRegister）。它的主要作用是根據SPI時鐘信號狀態，往SSPBUF里移入或者移出數據，每次移動的數據大小由Bus-Width以及Channel-Width所決定。

Bus-Width的作用是指定地址總線到Master設備之間數據傳輸的單位。

例如，我們想要往Master設備里面的SSPBUF寫入16Byte大小的數據：首先，給Master設備的配置寄存器設置Bus-Width為Byte；然后往Master設備的Tx-Data移位寄存器在地址總線的入口寫入數據，每次寫入1Byte大小的數據（使用writeb函數）；寫完1Byte數據之后，Master設備里面的Tx-Data移位寄存器會自動把從地址總線傳來的1Byte數據移入SSPBUF里；上述動作一共需要重復執行16次。

Channel-Width的作用是指定Master設備與Slave設備之間數據傳輸的單位。與Bus-Width相似，Master設備內部的移位寄存器會依據Channel-Width自動地把數據從Master-SSPBUF里通過Master-SDO管腳搬運到Slave設備里的Slave-SDI引腳，Slave－SSPSR再把每次接收的數據移入Slave-SSPBUF里。

通常情況下，Bus-Width總是會大于或等于Channel-Width，這樣能保證不會出現因Master與Slave之間數據交換的頻率比地址總線與Master之間的數據交換頻率要快，導致SSPBUF里面存放的數據為無效數據這樣的情況。

4、SSPBUF.

我們知道，在每個時鐘周期內，Master與Slave之間交換的數據其實都是SPI

內部移位寄存器從SSPBUF里面拷貝的。我們可以通過往SSPBUF對應的寄存器（Tx-Data/Rx-Dataregister）里讀寫數據，間接地操控SPI設備內部的SSPBUF。

例如，在發送數據之前，我們應該先往Master的Tx-Data寄存器寫入將要發

送出去的數據，這些數據會被Master-SSPSR移位寄存器根據Bus-Width自動移入Master-SSPBUF里，然后這些數據又會被Master-SSPSR根據Channel-Width從Master-SSPBUF中移出，通過Master-SDO管腳傳給Slave-SDI管腳，Slave-SSPSR則把從Slave-SDI接收到的數據移入Slave-SSPBUF里。與此同時，Slave-SSPBUF里面的數據根據每次接收數據的大小（Channel-Width），通過Slave-SDO發往Master-SDI，Master-SSPSR再把從Master-SDI接收的數據移入Master-SSPBUF。在單次數據傳輸完成之后，用戶程序可以通過從Master設備的Rx-Data寄存器讀取Master設備數據交換得到的數據。

5、Controller.

Master設備里面的Controller主要通過時鐘信號（ClockSignal）以及片選信號（SlaveSelectSignal）來控制Slave設備。Slave設備會一直等待，直到接收到Master設備發過來的片選信號，然后根據時鐘信號來工作。

Master設備的片選操作必須由程序所實現。例如：由程序把SS/CS管腳的時鐘信號拉低電平，完成SPI設備數據通信的前期工作；當程序想讓SPI設備結束數據通信時，再把SS/CS管腳上的時鐘信號拉高電平。