1.SPI模塊通用知識（Serial Peripheal interface）
SPI(setial peripheral interface)串行外圍接口設備，是一種高速的同步串行輸入輸出接口，其總線占用的接口線少，通信效率高，並且支持大部分處理器芯片。若要擴展EEPROM，LCD顯示器，網絡控制器，DAC等，則會用到SPI。與SCI（setial communication interface）串行通信接口不同，SCI、是一種異步通信接口UART。
SCI主要用於串行通信，如RS422，RS485，RS232；SPI主要用於擴展外設，如AD、DA、FRAM、DSP等。
SPI是利用4根信號線進行通信的串行接口協議，包括主／從兩種模式。4個接口信號為：串行數據輸入(MISO，主設備輸入、從設備輸出)、串行數據輸出(MOSI，主設備輸出、從設備輸入)、移位時鍾(SCK)、低電平有效的從設備使能信號(cs)。SPI最大的特點是由主設備時鍾信號的出現與否來確定主／從設備間的通信。一旦檢測到主設備的時鍾信號，數據開始傳輸。
SPI接口通信以主從模式進行，通過CS片選信號控制從機芯片是否被選中。當CS低電平選中從機，主從機開始通信，采用串行通信協議，如主機M1給從機S1發送數據時，數據在時鍾脈沖的上升沿或者下降沿通過M1的MISO引腳發送，在緊接着的下降沿或上升沿S1的MOSI引腳接收。
SCK只能由主設備控制，從設備不能控制時鍾信號線，在點對點的通信中，SPI接口不需要尋址操作，且為全雙工通信，因此，更加簡單高效。
其內部工作機制如下圖：
2.基本原理與結構
SPI是一個同步協議接口，全雙工通信，所有的傳輸都參照一個共同的時鍾，這個同步時鍾信號由主機產生。接收數據的外設使用時鍾對串行比特流的接收進行同步化。其傳輸速度可達幾Mb/s。
SPI主要使用4個信號：MISO(主機輸入/從機輸出)、MOSI(主機輸出/從機輸入)、 SCLK(串行時鍾)、
或
(外設片選或從機選擇)。
MISO信號由從機在主機的控制下產生。
信號用於禁止或使能外設的收發功能。
為高電平時，禁止外設接收和發送數據；
為低電平時，允許外設接收和發送數據。圖1所示是微處理器通過SPI與外設連接的示意圖。
主機和從機都有一個串行移位寄存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節來發起一次傳輸。寄存器通過MOSI信號線將字節傳送給從機，從機也將自己的移位寄存器中的內容通過MISO信號線返回給主機(如圖2所示)。這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。外設的寫操作和讀操作是同步完成的。
圖2 SPI的數據傳輸
如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節；反之，若主機要讀取從機的一個字節，就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸。
當主機發送一個連續的數據流時，有些外設能夠進行多字節傳輸。多數具有SPI接口的存儲芯片就以這種方式工作。在這種傳輸方式下，從機的片選端必須在整個傳輸過程中保持低電平。此時，一次傳輸可能會涉及到成千上萬字節的信息，而不必在每個字節的數據發送的前后都去檢測其起始位和結束位，這正是同步傳輸方式優於異步傳輸方式的原因所在。
雖然SPI有以上優點，然而在圖像傳輸中卻很少用到，原因主要是其抗干擾能力差。SPI采用的是單端非平衡的傳輸方式，即傳輸的數據位的電壓電平是以公共地作為參考的。在這種傳輸方式中，對於已進入信號中的干擾是無法消除和減弱的。而信號在傳輸過程中總會受到干擾，而且距離越長干擾越嚴重，以致於信號傳輸產生錯誤。在這種條件下，信號傳輸就變得毫無意義了。另外，由於單端非平衡傳輸方式以公共地作為參考點，地線作為信號回流線，因此也存在信號電流。當傳輸線兩端的系統之間存在交流電位差時，這個電位差將直接竄到信號中，形成噪聲干擾。所以，為了解決抗干擾問題，通常采用平衡傳輸(balanced transmission)方式，這里采用比較常見的RS-422。
圖1所示是由一個主機對接一個從機進行全雙工通信的系統構成的方式。在該系統中，由於主機和從機的角色是固定不變的，並且只有一個從機，因此，可以將主機的SS端接高電平，將從機的SS端固定接地。
圖1 全雙工主機／從機連接方法
3.數據傳輸
SPI主設各負責產生系統時鍾，並決定整個SPI網絡的通信速率。所有的SPI設各都采用相同的接口方式，可以通過調整處理器內部寄存器改變時鍾的極性和相位。由於SPI器件並不一定遵循同一標准，比如EEPROM、DAC、ADC、實時時鍾及溫度傳感器等器件的SPI接口的時序都有所不同，為了能夠滿足不同的接口需要，采用時鍾的極性和相位可配就能夠調整SPi的通信時序。
SPI設各傳輸數據過程中總是先發送或接收高字節數據，每個時鍾周期接收器或收發器左移1位數據。對於小於16位的數據在發送之前必須左對齊，如果接收的數據小於16位則采用軟件將無效的數據位屏蔽，如圖1所示。當主從機進行全雙工通信時，即兩個SPI接口通過接收或發送數據，8個時鍾脈沖完成一次SPI時序（每個時鍾移一位）。
SPI接口有主和從兩種操作模式，通過MASTER／SLAVE位（SPICTL．2）選擇操作模式以及SPICLK信號的來源，如圖2所示。
圖1 SPI通信數據格式
圖2 SPI主控制器／從控制器的連接
4.SPI應用方式
若干個具備SPI接口的單片機和若干片兼容SPI接口的外圍芯片，可以在軟件的控制下，構成多種簡單或者復雜的應用系統，例如以下3種。
（1）一個主機和多個從器件的通信系統。
如圖2所示，各個從器件是單片機的外圍擴展芯片，它們的片選端SS分別獨占單片機的一條通用I／O引腳，由單片機分時選通它們建立通信。這樣省去了單片機在通信線路上發送地址碼的麻煩，但是占用了單片機的引腳資源。當外設器件只有一個時，可以不必選通而直接將SS端接地即可。
圖2 一個主機擴展多個外圍器件
（2）幾個單片機互相連接構成多主機通信系統。
圖3所示為3個既可以當做主機也可以當做從機的單片機組成的系統。
圖3 多主機通信系統連接方法
（3）主機、從機和從器件共同組成的應用系統。
圖4所示為一個主機、一個從機和多片外設芯片組成的應用系統。這些外設芯片有的只接收來自單片機信息，有的只向單片機提供信息，還有的既接收也發送信息。
圖4主機、從機和從器件互連
5.SPI通信模式
SPI通信有4種不同的模式，不同的從設備可能在出廠是就是配 置為某種模式，這是不能改變的；但我們的通信雙方必須是工作在同一模式下，所以我們 可以對我們的主設備的SPI模式進行配置，通過CPOL（時鍾極性）和CPHA（時鍾相位）來 控制我們主設備的通信模式，具體如下：
Mode0：CPOL=0，CPHA=0
Mode1：CPOL=0，CPHA=1
Mode2：CPOL=1，CPHA=0
Mode3：CPOL=1，CPHA=1
時鍾極性CPOL是用來配置SCLK的電平出於哪種狀態時是空閑態或者有效態，時鍾相位CPHA 是用來配置數據采樣是在第幾個邊沿：
CPOL=0，表示當SCLK=0時處於空閑態，所以有效狀態就是SCLK處於高電平時
CPOL=1，表示當SCLK=1時處於空閑態，所以有效狀態就是SCLK處於低電平時
CPHA=0，表示數據采樣是在第1個邊沿，數據發送在第2個邊沿
CPHA=1，表示數據采樣是在第2個邊沿，數據發送在第1個邊沿
例如：
CPOL=0，CPHA=0：此時空閑態時，SCLK處於低電平，數據采樣是在第1個邊沿，也就是 SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在上升沿，數據發送是在下降沿。
CPOL=0，CPHA=1：此時空閑態時，SCLK處於低電平，數據發送是在第1個邊沿，也就是 SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在下降沿，數據發送是在上升沿。
CPOL=1，CPHA=0：此時空閑態時，SCLK處於高電平，數據采集是在第1個邊沿，也就是 SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在下降沿，數據發送是在上升沿。
CPOL=1，CPHA=1：此時空閑態時，SCLK處於高電平，數據發送是在第1個邊沿，也就是 SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在上升沿，數據發送是在下降沿。
