代码收藏家技术教程 2022-12-27

SPI协议：实现快速、可靠的数据传输

1、概述

SPI 是由摩托罗拉(Motorola)公司20世纪80年代中期开发的全双工同步串行总线，标准SPI有4根线，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），如下图：

SPI是微处理控制单元(MCU)和外围设备之间进行通信的同步串行端口。主要应用在EEPROM、Flash、实时时钟(RTC)、数模转换器(ADC)、网络控制器、MCU、LCD屏、数字信号处理器(DSP)以及数字信号解码器之间。SPI典型系统框图如下图，接线方式：主设备MISO接从设备MISO，主设备MOSI接从设备MOSI，主从设备所有SCLK接在一起，主设备CS0-CSn接不同从设备CS。

SPI主要特点有:

全双工；
可以当作主机或从机工作;
提供频率可编程时钟;
发送结束中断标志;
写冲突保护，总线竞争保护等。

2、工作方式

SPI时钟CPOL和相位CPHA：

CPOL：时钟极性为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。

如下图SPI总线时钟和相位不同延伸出四种工作方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式 (实线表示)：

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。

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。

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。

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。

3、SPI协议拓展

前面章节称为标准SPI协议（Standard SPI）或单线SPI协议（Single SPI），其中的单线是指该SPI协议中使用单根数据线 MOSI 进行发送数据，单根数据线 MISO 进行接收数据。为了适应更高速率的通讯需求，半导体厂商扩展SPI协议，主要发展出了 Dual/Quad/Octal SPI协议，加上标准SPI协议（Single SPI），这四种协议的主要区别是数据线的数量及通讯方式，见下表：

协议	数据线数量及功能	通讯方式
Single SPI（标准SPI）	1根发送，1根接收	全双工
Dual SPI（双线SPI）	收发共用2根数据线	半双工
Quad SPI（四线SPI）	收发共用4根数据线	半双工
Octal SPI（八线SPI）	收发共用8根数据线	半双工

注：上述四种模式也可以通过数据线数量来称呼为1/2/4/8线模式，有的芯片手册称标准SPI全双工模式为2线模式，半双工模式下只用一条数据线时称1线模式。

3.1、Dual SPI（2线）模式

对于SPI Flash，全双工并不常用，因此扩展了MOSI和MISO的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输，也就是Dual SPI模式。首先发送一个命令字节进入dual mode，这样MOSI变成SIO0（serial i/o 0），MISO变成SIO1（serial i/o 1）,于是SCLK一次触发就能传输2bit数据，数据传输加倍。

3.2、Quad SPI（4线）模式

与Dual SPI类似，也是针对SPI Flash，也是半双工，Quad SPI Flash增加了两根I/O线（SIO2,SIO3），目的是SCLK一次触发传输4bit数据。

3.3、Octal SPI（8线）模式

在Quad SPI基础上继续扩展，增加四根I/O线（SIO4，SIO5，SIO6，SIO7），SCLK一次触发传输8bit数据，称为Octal SPI模式。

3.4、SDR/DDR模式

SDR（STR）模式：Single Data Rate（Single Transfer Rate）默认情况下，SPI驱动 MOSI或SIO0、SIO1、SIO2、SIO3信号，或者通过 SCLK 的触发对信号进行采样时，一个时钟周期只执行一次，称为单倍数据速率模式（SDR或STR），下图是四线模式，SDR（STR）通信。

DDR（DTR）模式：Double Data Rate（Double Transfer Rate）当SPI在地址/交替字节/数据阶段驱动MOSI或SIO0、SIO1、SIO2、SIO3信号时，将在SCLK 的每个上升沿和下降沿发送1位；或者通过 SCLK 的触发对信号进行采样时，每个上升沿和下降沿将采样一次；也就是说一个时钟周期内发送2位或者接收2位数据，称为双倍数据速率模式（DDR或DTR），下图四线模式，DDR（DTR）通信，注意命令数据不支持。