SPI通信筆記：基礎+動圖+時序圖+總結，一文吃透！

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大家好，今天咱們來詳細聊聊SPI接口，文章內容有點多，建議先收藏起來再慢慢看。

SPI現在已經成為MCU和外圍設備之間最常用的通信方式了。它是一種同步、全雙工、主從式的通信接口。工作原理其實很直接：主機產生時鐘信號，從機跟著這個時鐘同步收發數據。允許雙向傳輸，可以在同一時鐘周期內進行主從設備的數據交換。

這種設計讓SPI既簡單又高效，特別適合需要快速傳輸數據的場合。不過要注意的是，SPI沒有標準的通信協議，不同廠家的設備可能會有差異，所以用的時候一定要仔細看芯片手冊。

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典型應用場景

SPI接口的核心優勢在于它的簡單性和靈活性，典型應用場景包括：

1、傳感器數據采集（如溫度傳感器、IMU），例如：TMP124芯片，它是由TI推出的工業級數字溫度傳感器，主打高精度+SPI接口組合，適合對測溫有嚴苛要求的場景。

2、存儲器讀寫（Flash、EEPROM），比如小容量的AT25040，常用來存儲配置參數和校準數據。

3、數字信號轉換（ADC/DAC）。比如通用ADC芯片MCP4921，它是Microchip推出的低成本12位數字模擬轉換器(DAC)，主打簡單易用+SPI接口組合，適合需要數字控制模擬輸出的場景。

4、顯示驅動（OLED、TFT屏幕），例如咱們常用的0.96寸OLED屏，一般有I2C和SPI兩種接口，雖然SPI多占用兩個IO口，但速度比I2C快很多。

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SPI的連接方式和工作速度

連接方式

SPI接口可以是3線式或4線式，這里主要介紹常用的4線SPI接口，4線SPI器件有四個信號：

• 片選(CS)：片選信號，低電平有效

• 時鐘(SPI CLK, SCLK)：時鐘信號由主機產生

• MOSI： 主機輸出，從機輸入

• MISO 主機輸入，從機輸出

主機和從機之間的SPI連接

這里要注意一下，主機和從機的MOSI和MISO的接線，這個跟串口TX，RX不一樣，很多人容易搞錯，主機的MISO接從機的MISO，主機的MOSI接從機的MOSI，直連不交叉。

那怎么判斷哪個是主機呢？咱們產生時鐘信號的器件稱為主機。主機和從機之間傳輸的數據與主機產生的時鐘同步。另外SPI接口只能有一個主機，但可以有一個或多個從機。關注公眾號：硬件筆記本

來自主機的片選信號用于選擇從機。這通常是一個低電平有效信號，拉高時從機與SPI總線斷開連接。當使用多個從機時，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。

工作速度

SPI速度的典型范圍：1 MHz至100 MHz（4 Mbps至400 Mbps），具體速率取決于器件等級：

消費級IC：1-10 MHz（4-40 Mbps）

工業級器件：10-25 MHz（40-100 Mbps）

但咱們在實際應用中，會受限于外設支持（如Flash芯片可達80 MHz，傳感器通常8 MHz）

這里再插一句，對比I2C來說，I2C速度就低太多了：標準模式100Kbps，高速模式5Mbps（理論值），但是I2C會少占用兩個IO口，所以I2C速度勝在省引腳，SPI贏在速度快。

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數據傳輸

SPI的數據傳輸，整個過程是這樣的：

首先，作為主控的設備要產生時鐘信號（SCLK），這個信號就像通信的節拍器。同時，主機要通過拉低片選信號（CS）來選中要通信的從設備，這個CS信號通常是低電平有效，所以主機要給它一個邏輯0。

SPI最厲害的地方在于它是全雙工的，這意味著主機可以通過MOSI線往外發送數據的同時，從設備也能通過MISO線往主機發送數據，兩邊是同時進行的。具體來說，主機把數據一位一位地放到MOSI線上移出去，同時又在MISO線上一位一位地收數據。

所有這些數據的發送和接收都是嚴格跟著時鐘信號的邊沿走的，你可以選擇在時鐘的上升沿或者下降沿來采樣數據。至于每次通信要傳多少位數據，這個得看具體器件的規格書，不同芯片的要求可能不一樣。

咱們來看兩張動圖

這個過程中要注意三點：

1、是時鐘必須由主機產生；

2、CS信號要提前拉低選中從機；

3、數據的收發是同步進行的，不是先發后收或者先收后發。這種設計讓SPI既簡單又高效，特別適合需要快速傳輸數據的場合。

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工作模式

SPI有4種工作模式，主要通過CPOL和CPHA兩個參數來配置：

如下是SPI模式0的時序圖。
傳輸的開始和結束綠色虛線表示；采樣邊沿橙色虛線表示；移位邊沿藍色虛線表示。當然，這些圖形僅供參考。要成功進行SPI通信，必須參閱器件的數據手冊并確保滿足器件的時序規格。

如下是SPI模式1的時序圖。此時：
時鐘極性為0，表示時鐘信號的空閑狀態為低電平
時鐘相位為1，表示數據在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數據在時鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線顯示）。

如下是SPI模式2的時序圖。此時：時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態為高電平。時鐘相位為1，表示數據在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數據在時鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線顯示）。

如下是SPI模式3的時序圖。此時：時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態為高電平。時鐘相位為0，表示數據在上升沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數據在時鐘信號的下降沿移出（由藍色虛線顯示）。

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多從機配置

咱們的多個從機可與單個SPI主機一起使用。從機可以采用常規模式連接，或采用菊花鏈模式連接。常規SPI模式：

在咱們SPI常規連接模式下，咱們主機必須為每個從設備單獨配備一個片選信號線（CS）。當主機將某個從機的CS信號拉低時，這個從機就被選中，此時MOSI和MISO線上的時鐘和數據信號就可以和這個特定的從機進行通信。關注公眾號：硬件筆記本

這里有個重要限制：同一時間只能有一個從機的CS信號被拉低，如果同時拉低多個CS信號，會導致多個從機同時在MISO線上返回數據，造成數據沖突，主機就無法分辨這些數據到底來自哪個從機。

隨著系統連接的從機數量增多，主機需要提供的片選線數量也會相應增加。比如連接8個從機就需要8根獨立的CS線，這會快速占用主機的IO口資源，從而限制了系統能夠支持的從機數量。為了解決這個問題，可以采用一些擴展技術，比如使用多路復用器（MUX）來產生片選信號。不過這種方案會增加一些硬件復雜度，需要額外添加多路復用器芯片。

菊花鏈模式：

在SPI菊花鏈連接方式下，所有從設備共享同一個片選信號（CS），從一個從機傳播到下一個從機。具體工作過程是：主機發出時鐘信號（SCLK）后，數據首先傳輸到第一個從機，第一個從機將數據提供給第二個從機，這樣依次傳遞下去。所有從機都使用同一個時鐘信號進行同步。

這種連接方式的特點是數據傳輸需要更多的時鐘周期。如下圖，比如在一個8位數據寬度的系統中，如果要讓第三個從機收到數據，就需要24個時鐘脈沖（3個從機×8位），而在常規SPI模式下只需要8個時鐘脈沖。這是因為數據需要依次通過每個從機，每個從機都會對數據進行處理和轉發。

菊花鏈配置：數據傳播

需要注意的是，不是所有SPI設備都支持菊花鏈模式。在使用這種連接方式前，必須仔細查看所用芯片的技術手冊，確認其是否支持菊花鏈功能。有些芯片可能只支持常規的獨立片選模式。此外，菊花鏈模式雖然節省了片選信號線，但會降低通信效率，因此要根據實際應用需求權衡選擇。

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總結

SPI接口雖然簡單，但在實際應用中需要注意很多細節：

1、接線要正確（直連不交叉）；

2、模式要匹配（看器件手冊）；

3、多從機時要合理選擇連接方式。

記住這些要點，就能用好SPI接口啦！如果遇到問題，最靠譜的辦法就是查閱器件的數據手冊。

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