SPI总线协议

SPI总线概述

SPI全称是串行外设接口（Serial Peripheral Interface），是由Motorola提出的一种全双工同步串行通信接口，通信波特率可以高达5Mbps，但具体速度大小取决于SPI硬件。SPI接口具有全双工操作，操作简单，数据传输速率较高的优点，但也存在没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据的缺点。

SPI总线的构成及信号类型
SPI总线只需四条线（如图1所示）就可以完成MCU与各种外围器件的通讯:
1）MOSI – Master数据输出,Slave数据输入
2）MISO – Master数据输入,Slave数据输出
3）SCK – 时钟信号,由Master产生

4）CS – Slave使能信号,由Master控制。

SPI一主多从模式。

由此可以看出，每个SPI从机的片选端都要与主机的片选端一一对应，这是很浪费资源的。

在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：
1) Master通过MOSI线发送1位数据，同时Slave通过MOSI线读取这1位数据
2) Slave通过MISO线发送1位数据，同时Master通过MISO线读取这1位数据
Master和Slave各有一个移位寄存器，如图所示，而且这两个移位寄存器连接成环状。依照SCK的变化，数据以MSB first的方式依次移出Master寄存器和Slave寄存器，并且依次移入Slave寄存器和Master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。

SPI的四种工作模式
CPOL：时钟极性选择，为0时SPI总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平
CPHA：时钟相位选择，为0时在SCK第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样
工作方式1：
　　当CPHA=0、CPOL=0时SPI总线工作在方式1。MISO引脚上的数据在第一个SPSCK沿跳变之前已经上线了，而为了保证正确传输，MOSI引脚的MSB位必须与SPSCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，首先将数据上线，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（下降沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。
工作方式2：
　　当CPHA=0、CPOL=1时SPI总线工作在方式2。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的下降沿时捕捉位信号，上升沿时下一位数据上线。
工作方式3：
　　当CPHA=1、CPOL=0时SPI总线工作在方式3。MISO引脚和MOSI引脚上的数据的MSB位必须与SPSCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，在同步时钟信号周期开始时（上升沿）数据上线，然后在同步时钟信号的下降沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（上升沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。
工作方式4：
　　当CPHA=1、CPOL=1时SPI总线工作在方式4。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的上升沿时捕捉位信号，下降沿时下一位数据上线。

SP1与SP3的差别
SP1与SP3的差别是对数据的采样时间点不同，SP1是在第一个跳变沿采样，SP3是在第二个跳变沿采样，此外，SP1中在传输最高位时MOSI、MISO上的数据是不同步的，MISO上的数据要先与MOSI上的数据的出现，它们在第二个时钟周期才同步。而SP3 MOSI、MISO在第一个时钟周期的上升沿已经同步了。

软件模拟SPI

注意：下面的程序都没有涉及SS线。

SP1模式：CPHA=0、CPOL=0

/*IO定义*/#define MOSI P0^0#define MISO P0^1#define SCK  P0^2/*函数功能：模式SPI*//*参数说明：data要发送的数据*//*返回值：接收到的数据*/unsigned  char spi_simulate(unsigned char data){    unsigned char i;   for(i=0;i<8;i++)          // 循环8次   {  if(data&0x80)           //若要发送的数据最高位为1    MOSI=1;               //则将1送到MOSI线上  else    MOSI=0;        // 则将0送到MOSI线上     data<<=1;     //最高位已经发送出去，将data左移一为腾出最低位来存放接收到的数据     SCLK=1;       //拉高SCK     delay();      //根据传输速率来做调整    /*拉高SCK后，从机从MOSI读入1位数据，同时主机从MISO接收1位数据，如*/    /*果MISO输出的是0则不需要date|=0x01，因为data<<1后会在低位自动补0，如果MISO输出的是1，则byte最低位要置1*/  if(MISO)           data|=0x01;          SCLK=0;           // SCK置低,低电平表示空闲     delay();  //根据传输速率来做调整   }    return(data);           // 返回读出的一字节}

SP2模式：CPHA=0、CPOL=1

/*IO定义*/#define MOSI P0^0#define MISO P0^1#define SCK  P0^2/*函数功能：模式SPI*//*参数说明：data要发送的数据*//*返回值：接收到的数据*/unsigned  char spi_simulate(unsigned char data){    unsigned char i;   for(i=0;i<8;i++)          // 循环8次   {  if(data&0x80)           //若要发送的数据最高位为1    MOSI=1;               //则将1送到MOSI线上  else    MOSI=0;        // 则将0送到MOSI线上     data<<=1;     //最高位已经发送出去，将data左移一为腾出最低位来存放接收到的数据     SCLK=0;       //拉低SCK    /*拉高SCK后，从机从MOSI读入1位数据，同时主机从MISO接收1位数据，如*/    /*果MISO输出的是0则不需要date|=0x01，因为data<<1后会在低位自动补0，如果MISO输出的是1，则byte最低位要置1*/  if(MISO)           data|=0x01;          SCLK=1;           // SCK置高,低电平表示空闲   }    return(data);           // 返回读出的一字节}

SP3模式：CPHA=1、CPOL=0

/*IO定义*/#define MOSI P0^0#define MISO P0^1#define SCK  P0^2/*函数功能：模式SPI*//*参数说明：data要发送的数据*//*返回值：接收到的数据*/unsigned  char spi_simulate(unsigned char data){    unsigned char i;   for(i=0;i<8;i++)          // 循环8次   {       SCLK=1;       //拉高SCK       delay();      //根据传输速率来做调整    if(data&0x80)           //若要发送的数据最高位为1        MOSI=1;               //则将1送到MOSI线上    else        MOSI=0;        // 则将0送到MOSI线上       data<<=1;     //最高位已经发送出去，将data左移一为腾出最低位来存放接收到的数据       SCLK=0;        delay();  //根据传输速率来做调整       /*拉低SCK后，从机从MOSI读入1位数据，同时主机从MISO接收1位数据，如*/       /*果MISO输出的是0则不需要date|=0x01，因为data<<1后会在低位自动补0，如果MISO输出的是1，则byte最低位要置1*/    if(MISO)               data|=0x01;        }    return(data);           // 返回读出的一字节}

SP4模式：CPHA=1、CPOL=1

/*IO定义*/#define MOSI P0^0#define MISO P0^1#define SCK  P0^2/*函数功能：模式SPI*//*参数说明：data要发送的数据*//*返回值：接收到的数据*/unsigned  char spi_simulate(unsigned char data){    unsigned char i;   for(i=0;i<8;i++)          // 循环8次   {       SCLK=0;       //拉高SCK       delay();      //根据传输速率来做调整    if(data&0x80)           //若要发送的数据最高位为1        MOSI=1;               //则将1送到MOSI线上    else        MOSI=0;        // 则将0送到MOSI线上       data<<=1;     //最高位已经发送出去，将data左移一为腾出最低位来存放接收到的数据       SCLK=1;        delay();  //根据传输速率来做调整       /*拉低SCK后，从机从MOSI读入1位数据，同时主机从MISO接收1位数据，如*/       /*果MISO输出的是0则不需要date|=0x01，因为data<<1后会在低位自动补0，如果MISO输出的是1，则byte最低位要置1*/    if(MISO)               data|=0x01;        }    return(data);           // 返回读出的一字节}

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