SPI接口

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是Motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准，在很多器件中被广泛应用。

1. 接口

SPI接口经常被称为4线串行总线，SPI协议是主从模式：从机不主动发起访问，总是被动执行操作，数据传输过程由主机初始化。

如图1所示，其使用的4条信号线分别为：

                                    

                         

                             

1) SCLK：串行时钟，用来同步数据传输，由主机输出；

2) MOSI：主机输出从机输入数据线；

3) MISO：主机输入从机输出数据线；

4) SS：片选线，低电平有效，由主机输出。

在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机，主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。

2. 数据传输

在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：

1) 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；

2) 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。

这是通过移位寄存器来实现的。如图2所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

                               

3. 时钟极性和时钟相位

在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性Clock polarity（CPOL或UCCKPL）和时钟相位Clock phase（CPHA或UCCKPH）。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。

主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。

举例来说，分别选取MSP430控制器和OLED驱动SH1101A为主从机，下图为它们的SPI时序。由图可知，SH1101A的SPI时钟空闲时为高电平（CPOL=1），并且在后时钟沿接收数据（CPHA=1），则MSP430控制器SPI的设置应与此保持一致。

                    

下面两图读写时序图，从图中可知时钟极性为0，上升沿读取数据，与上图不同。

     写操作时序图：         

   读操作时序图：      

如图示为SPI读时序和写时序。按照读写时序输出字节（MOSI）就会从MSB 循环输出,同将输入字节（MISO）从LSB 循环移入，每次移动一位。

上升沿输入，下降沿输出。也就是说：MCU在时钟信号的上升沿时写(write),下降沿时读(read).

nRF24L01支持标准SPI四线接口。以nRF24L01芯片的PDF为例说明SPI的基本读写，具体代码如下：

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1. 单字节读时序：  
2. /* 
3. ** 函数名 : SPI_Read_OneByte 
4. ** 返回值 : temp--SPI读取的一字节数据 
5. ** 参  数 : None 
6. ** 描  述 : 下降沿读数据，每次读取 1 bit 
7. */  
8. uint8 SPI_Read_OneByte(void)  
9. {  
10.   uint8 i;  
11.   uint8 temp = 0;  
12.     
13.   for(i=0;i<8;i++)  
14.   {  
15.    temp <<= 1;       //读取MISO 8次输入的值，存入temp。之所以不放在“SCK = 0”语句之后的位置是因为：  
16.                      //读取最后1byte的最后一位(即LSB)之后，不能再左移了  
17.    SCK = 1;            
18.    if(MISO)          //读取最高位，保存至最末尾，通过左移位完成读整个字节  
19.      temp |= 0x01;  
20.     else  
21.      temp &= ~0x01;  
22.    SCK = 0;          //下降沿来了(SCK从1-->0)，MISO上的数据将发生改变，稳定后读取存入temp  
23.   }  
24.     
25.   return temp;  
26. }  
27. 单字节写时序：  
28. /* 
29. ** 函数名 : SPI_Write_OneByte 
30. ** 返回值 : None 
31. ** 参  数 : u8_writedata--SPI写入的一字节数据 
32. ** 描  述 : 上升沿写数据，每次写入 1 bit 
33. */  
34. void SPI_Write_OneByte(uint8 u8_writedata)  
35. {  
36.   uint8 i;  
37.     
38.   for(i=0;i<8;i++)  
39.   {  
40.     if(u8_writedata & 0x80)      //判断最高位，总是发送最高位  
41.      MOSI_ON;                    //MOSI输出1，数据总线准备数据1  
42.     else  
43.      MOSI_OFF;                   //MOSI输出0，数据总线准备数据0  
44.        
45.     SCK = 1;                     //上升沿来了(SCK从0-->1)，数据总线上的数据写入到器件  
46.     u8_writedata <<= 1;          //左移抛弃已经输出的最高位  
47.     SCK = 0;                     //拉低SCK信号，初始化为0  
48.   }  
49. }  

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1. </pre><pre name="code" class="cpp">在此基础可以写出nRF24L01寄存器的读写函数。  
2. nRF24L01寄存器写入函数：  
3. /* 
4. ** 函数名: nRF24L01_WriteReg 
5. ** 返回值: None 
6. ** 参 数 : (1)uint8 addr--寄存器地址 
7. **         (2)uint8 value--写入值 
8. ** 说 明 : nRF24L01寄存器写函数 
9. */  
10. void nRF24L01_WriteReg(uint8 addr, uint8 value)  
11. {  
12.     CSN_OFF();                  //CS片选拉低   
13.     SPI_Write_OneByte(addr|WR); //SPI写地址命令  
14.     SPI_Write_OneByte(value);   //SPI写数据   
15.     CSN_ON();                   //CS片选拉高  
16. }  
17. nRF24L01读寄存器函数：  
18. /* 
19. ** 函数名: nRF24L01_ReadReg 
20. ** 返回值: value--读取寄存器值 
21. ** 参 数 : addr--寄存器地址 
22. ** 说 明 : nRF24L01寄存器读函数 
23. */  
24. uint8 nRF24L01_ReadReg(uint8 addr)  
25. {  
26.     uint8 value;  
27.     CSN_OFF();                   //CS片选拉低  
28.     SPI_Write_OneByte(addr|RR);  //SPI写地址命令  
29.     value = SPI_Read_OneByte();  //SPI读数据  
30.     CSN_ON();                    //CS片选拉高  
31.     return value;  
32. }  

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1. </pre><pre name="code" class="cpp">注：可以整合读写程序如下：  
2.   
3. /* 
4. ** 函数名 : SPI_WriteAndRead_OneByte 
5. ** 返回值 : u8_readdata--SPI读取的一字节数据 
6. ** 参 数 : u8_writedata--SPI写入的一字节数据 
7. ** 描 述 : 上升沿写，下降沿读 
8. */  
9. uint8 SPI_WriteAndRead_OneByte(uint8 u8_writedata)  
10. {  
11.   uint8 i;  
12.   uint8 u8_readdata = 0x00;  
13.        
14.   for(i=0;i<8;i++)  
15.   {  
16.     u8_readdata <<= 1;      //读取MISO 8次输入的值，存入u8_readdata。  
17.          
18.     if(u8_writedata & 0x80) //判断最高位，总是写最高位（输出最高位）  
19.       MOSI_ON;              //MOSI输出1，数据总线准备数据1  
20.     else  
21.       MOSI_OFF;             //MOSI输出0，数据总线准备数据0  
22.     u8_writedata <<= 1;     //左移抛弃已经输出的最高位  
23.          
24.     SCK = 1;                //上升沿来了(SCK从0-->1)，数据总线上的数据写入器件  
25.     if(MISO)                //读取最高位，保存至最末尾，通过左移位完成读整个字节  
26.       u8_readdata |= 0x01;  
27.     else  
28.       u8_readdata &= ~0x01;  
29.           
30.     SCK = 0;                //下降沿来了(SCK从1-->0)，MISO上将产生新的数据，读取存入u8——readdata  
31.    }  
32.   return u8_readdata;  
33. }  

4. 优缺点

优点：

1) 支持全双工操作；
2) 操作简单；

3) 数据传输速率较高。

缺点：
1) 需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；
2) 只支持单个主机。

参考：http://www.cnblogs.com/king-77024128/articles/2203207.html，http://jackyhau1024.blog.163.com/blog/static/1778200402015230115230854/文章中内容，在此感谢！