什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一種嵌入式系統中應用廣泛的同步串行通信、主從架構式總線接口。80年代由摩托羅拉開發，已成為事實標准。

這句話里有幾個關鍵要點：

同步
串行
通信
主從
總線

要理解這些要點，先上圖，一圖勝千言：

常見的SPI接口有這樣幾個引腳：

SCLK: 串行時鍾，總是主端負責輸出(Master)。總是由主端控制該信號，從端為輸入采樣。
MOSI:主出從入（Master Output Slave Input)。總是由主端控制該信號，從端為輸入采樣。
MISO:主入從出(Master Input Slave Output)。總是由從端控制該信號，主端為輸入采樣。
:從選擇信號(Slave Select)。總是由主端控制該信號，從端為輸入采樣。

要理解上面這幾個信號引腳的內涵，結合時序圖，就比較容易理解了：

數字電路中，同步電路是一種通過時鍾信號同步存儲元件狀態變化的數字電路。

主端>從端：
- ：主端發送低電平先選通從芯片，上面加帽表示低有效。啥意思呢？就是這個腳低電平期間選中從設備，主設備發送的時序報文對選中的從設備有效，其他掛載在總線上的設備忽略總線報文。
- SCLK/SCK：發送同步移位時鍾。
- MOSI：將數據按照SCLK移位時鍾周期，將數據移位發送至該引腳。被選中的從設備依照SCLK/SCK上升沿或者下降沿，按位采樣，一般字節的高位在前，具體須遵從芯片手冊時序定義。從端依賴SCK/SCLK對MOSI上的信號逐位采樣，采樣的位依次進入接收移位寄存器，完成對字節的重組。當字節接收完成，再由后續數字電路進行處理。后續處理芯片實現各異，如是一個單片機則可能引發中斷請求，如是特定功能數字芯片，則依據接收報文完成相應的功能處理。
從端>主端:
- ：主芯片發送低電平先選通從芯片。
- SCLK/SCK：發送同步移位時鍾。
- MISO: 類似MOSI發送位流，依賴SCLK/SCK將位流依次發送至引腳上，主設備在同步時鍾的跳變邊沿采樣該引腳，進而移位接收位流。
采樣沿：SPI采用邊沿觸發采樣、移位發送，CPHA/CPOL組合形成四種SPI時序模式：

1.CPOL = 0低電平為空閑，數據線在時鍾為低時可改變，兩根數據線在時鍾高電平期間須保持穩定，分兩種情況：
1.1 CPHA=0時，輸入側上升沿采樣，輸出側在下降沿移位輸出到線上
1.2 CPHA=1時，輸入側下降沿采樣，輸出側在上升沿移位輸出到線上

2.CPOL = 1高電平空閑，兩根數據線在時鍾為高時可改變，兩根數據線在低電平期間須保持穩定。分兩種情況：
2.1 CPHA=0，輸入側在下降沿采樣，輸出側在上升沿移位輸出到線上
2.2 CPHA=1，輸入側在上升沿采樣，輸出側在下降沿移位輸出到線上

這里輸入輸出是相對的。CPOL（clock polarity)控制時鍾的極性，CPHA(phase relative to clock)控制相對於時鍾的時序相位。CPOL/CPHA排列組合形成四種SPI工作時序模式。

如用邏輯分析儀調試時，需要與設備的時序設置成一樣才能正確解析總線報文。

經過這些描述，解釋了串行、同步、主從的概念。

什么是通信？

眾所周知，計算機是一個二進制系統，所有的信息都是基於0/1進行編碼、進行運行管理的。由0/1編碼進而表示字符、文本、文件。那么SPI實現了底層的0/1碼流的傳遞機制，能傳遞0/1，通過應用控制、很自然就能交換信息。

這是否有種一生二、二生三、三生萬物的意思呢？

所以在研究各種通信總線的物理層時，就其本質而言都是界定如何對信息流的基本單元0/1進行編碼、解碼、收發的。

什么是SPI總線呢？

對於SPI總線而言，有兩種拓撲：

獨立片選拓撲：總線拓撲需要更多片選引腳，但通信效率高。信息直接在主從間傳遞
菊花鏈拓撲：節省引腳，但效率較低，數據信息傳遞需要級聯傳遞。

獨立片選拓撲

如上圖：

每個從設備都有獨立的片選引腳，主機同一時間段內，與一個從設備進行通信，也即選中一個從設備。
MOSI/MISO/SCLK並聯在一起
MISO須是三態門，當從設備未選中時，該腳須設置為高阻態，而不能是輸出態，否則會影響總線，這句話對於多從設備應用而言，請重點理解。尤其當用GPIO模擬SPI應用而言，須特別注意這一點！
對於MOSI/SCLK，雖然並聯在一起，但是由於僅一個輸出，多輸入。輸入引腳的阻抗本來就是高阻，所以不會有問題。

菊花鏈拓撲

有的芯片支持菊花鏈拓撲連接，這是何意呢？啥是菊花鏈呢？在電氣和電子工程中，雛菊鏈是一種布線方案，其中多個設備按順序或按環連接在一起，類似於雛菊的花環。其信息傳遞在鏈中流轉。

那么對於SPI總線而言，具體是如何連接的呢？

其本質就是主從級聯：

共用SCLK/，這兩根線並聯在一起
主MOSI連次級MOSI，次級MISO連次次級的MOSI....,然后由最后一級的MISO再送回到主設備的MISO。
某級從設備在第N組時鍾周期用MISO發送第N-1組時鍾周期接收到位給下級設備，同時把本組時鍾周期期間前級設備通過MISO移位進來的數據保存按位序保存進接收寄存器中。其實在底層是按照位進行流轉的。這個傳遞過程當變為高電平時則停止，各從設備當前寄存器中內容鎖定了。具體應用時，如果要將某一字節傳遞到某個設備，則需要組織好傳遞的碼流，以及時鍾控制。
對於菊花鏈數據傳遞過程，其實類似於擊鼓傳花游戲。鼓點的作用就是同步時鍾，花則是要傳遞的信息數據，鼓點的起停則類似於片選控制，唯一不同的是，擊鼓傳花傳的是一朵花，而菊花鏈總線傳遞的是二進制流，至於從設備究竟要怎么應用這些數據流，則具體實現各異。