設備間通信
兩個設備或者多個設備之間通信時，需要有一份共同遵守的協議，避免雞同鴨講。
常見的通信協議有：SPI、USB、UART、I2C、CAN[1][2]。
圖 1：不同的設備間通信協議
不同的協議是為了滿足特定場景的要求而制定的，而不是為了好玩。因此應該分析特定應用的要求，並選擇合適的協議。
SPI 協議
使用 SPI 協議的場景是全雙工、同步傳輸、一主多從、線少、高速率。
以下是使用 SPI 協議通信的設備群：
圖 2：SPI 一主多從
從圖中可以看出一對設備通過 SPI 協議進行通信需要四條線。SPI 四條線分別是：
- 片選信號線（CS，Chip Select）：選設備
- 主輸出從輸入數據線（MOSI）：傳數據
- 從輸出主輸入數據線（MISO）：傳數據
- 時鍾信號線（SCK，Serial Clock）：提供采集數據的時機
數據傳輸線
由於使用同步傳輸，所以傳輸一個字節的 8 位二進制不需要八條導線，只需要一條線分 8 個時鍾發送就行了。下文的時鍾信號線部分會再次提到。
另外由於要支持全雙工，即一次傳輸過程中主設備傳輸數據到從設備的同時，從設備也可以傳輸數據到主設備，因此需要兩條傳輸方向不同的線 MOSI(Master Out/Slave In) 和 MISO(Master In/Slave Out)。如下圖：
圖 3：全雙工。藍色線表示主設備輸出，紅色線表示從設備輸出。
從圖 3 可以看出，單向傳輸的線連接了多個從設備。
注意這里的接線方式：主設備的 MOSI 接從設備的 MOSI，主設備的 MISO 接從設備的 MISO。
此時我們有了疑問：這些從設備都會同時接收數據嗎？多個從設備同時發送數據給主設備豈不是沖突了？
片選信號線
主設備會通過控制從設備的 CS 引腳來激活從設備。上面說過從設備的 CS 引腳為低電平的時候，從設備被激活。
圖 4：片選信號線
下圖表示從設備被激活后傳輸數據（NSS 是 CS 引腳的另一個稱呼）：
圖 5：拉低片選線后才開始傳輸數據
紅框部分表示持續激活從設備，以及采集數據。
注意，主設備用 I/O 線連接到從設備的片選信號線上。
時鍾信號線
時鍾信號線提供讀取數據信號的時機。時鍾信號由主設備提供給從設備。
圖 6： 時鍾信號（中間波浪線表示省略 N 個信號）
時鍾線的作用是提供高低電平的變化作為數據采樣的信號。根據不同的模式，可以是從高到低的時候采樣，也可以是從低到高的時候采樣。
SPI 協議有四種通信模式，分別由 CPOL（時鍾極性）和 CPHA（時鍾相位）來控制。也就是選擇采樣的時機。
CPOL(Clock POLarity) 表示時鍾空閑時的電平。0 為低電平，1 為高電平。如下圖表示 CPOL = 0。
圖 7：空閑的 SCK 為低電平，即 CPOL 為 0 的情況
CHPA(Clock PHAse) 表示數據有效的時刻的相位，或者說邊沿（Edge）。邊沿指的是電平變化的時刻，有兩種類型：上升沿（Rising Edge）和下降沿（Falling Edge）。0 表示處於第一個邊沿類型的時刻數據有效（進行采樣），1 表示處於第二個邊沿類型的時刻數據有效（進行采樣）。
圖 8：上升沿和下降沿
下圖標出了采樣的時機：
圖 9：工作在（0,1）模式的數據采樣
四種模式用下表列出：
| SPI 通信模式 | CPOL | CPHA | 特點 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 時鍾空閑時保持低電平，工作時在上升沿從輸入引腳采樣，在下降沿改變輸出引腳的數據 |
| 1 | 0 | 1 | 時鍾空閑時保持低電平，工作時在下降沿從輸入引腳采樣，在上升沿改變輸出引腳的數據 |
| 2 | 1 | 0 | 時鍾空閑時保持高電平，工作時在下降沿從輸入引腳采樣，在上升沿改變輸出引腳的數據 |
| 3 | 1 | 1 | 時鍾空閑時保持高電平，工作時在上升沿從輸入引腳采樣，在下降沿改變輸出引腳的數據 |
注：兩個通信的設備要配置為同一個模式才能正常通信。
通信雙方采樣的時機是一致的，改變輸出的時機也是一致的。不然 A 在采樣的時候，B 把輸出改了，那 A 得到的數據可能是修改前的數據也可能是修改后的數據，就亂了。
如何確保主從處於同一模式？應該以從設備的模式為准，再配置主設備的模式。從設備的模式有兩種情況[3]：
- 從設備的 SPI 模式由硬件決定，已經被固定
- 從設備有 SPI 控制器，則 SPI 模式由軟件決定，可配置
在模式相同且片選信號線拉低時，開始通信。通常芯片內部的 SPI 控制器會自動控制在 8 次取樣后停止通信，也就是一次傳輸 8 bit，即一個字節。但也可以使用 I/O 線模擬片選信號，這樣一次可以傳送多個字節[4]。
圖 10：工作在（0,1）模式的數據采樣
圖 10 中的 MSB 和 LSB 表示最高權重位（Most Significant Bit）和最低權重位（Least Significant Bit）[5]。權重指的是對這個數值影響程度高，例如十進制的萬比千的權重高。
一個字節，即 8 位二進制數據可以從最高位開始發送，也可以從最低為開始發送。
舉個例子：
一個字節的數據：1000 0000
| MSB | - | - | - | - | - | - | LSB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
從最高位開始發送就是先發 1。
如果通信雙方沒有達成一致，則接收者得到的數據和發送者的數據的含義不一致。不過這個通常不需要我們配置。
總結
如果要用到 SPI 協議，需要接四條線。
- 主設備的 MISO 接從設備的 MISO
- 主設備的 MOSI 接從設備的 MOSI
- 主設備的 SCK 接從設備的 SCK
- 主設備任選一個 I/O 接從設備的 CS
主設備在編程的時候需要配置與從設備相同的 SPI 模式。
主設備在編程的時候需要配置第一位（First Bit）[6]先從 MSB 開始發還是 LSB 開始發。從設備會規定第一位是 MSB 還是 LSB。
參考：
[1]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/47925844 (常見硬件通信協議介紹)
[2]: https://blog.csdn.net/heda3/article/details/89053635 (IIC、SPI、UART、USART、USB、CAN等通訊協議原理及區別)
[3]: https://blog.csdn.net/u013165704/article/details/81076890 (SPI 接口配置)
[4]: https://blog.csdn.net/qq_25814297/article/details/86190106 (SPI通訊有單字節模式和多字節連續模式)
[5]: https://www.cnblogs.com/shuaifeng/archive/2009/12/23/1630195.html (MSB與LSB)
[6]: https://www.stmcu.org.cn/module/forum/thread-627137-1-1.html ([分享] SPI原理超詳細講解---值得一看)