干貨！一文了解SPI總線工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用案例
[導(dǎo)讀]在本系列文章中，我們將討論三種最常見協(xié)議的基礎(chǔ)知識：串行外設(shè)接口（SPI），內(nèi)部集成電路（I2C）和通用異步接收器/發(fā)送器（UART）驅(qū)動通信。
電子設(shè)備之間的通信就像人類之間的通信，雙方都需要說同一種語言。在電子學(xué)中，這些語言稱為通信協(xié)議。幸運(yùn)的是，在構(gòu)建大多數(shù)DIY電子項(xiàng)目時(shí)，我們只需要了解一些通信協(xié)議。在本系列文章中，我們將討論三種最常見協(xié)議的基礎(chǔ)知識：串行外設(shè)接口（SPI），內(nèi)部集成電路（I2C）和通用異步接收器/發(fā)送器（UART）驅(qū)動通信。
首先，我們將從一些關(guān)于電子通信的基本概念開始，然后詳細(xì)解釋SPI的工作原理。
SPI，I2C和UART比USB，以太網(wǎng)，藍(lán)牙和WiFi等協(xié)議慢得多，但它們更簡單，使用的硬件和系統(tǒng)資源也更少。SPI，I2C和UART非常適用于微控制器之間以及微控制器和傳感器之間的通信，在這些傳感器中不需要傳輸大量高速數(shù)據(jù)。
串行與并行通信
數(shù)據(jù)位可以并行或串行形式傳輸。在并行通信中，數(shù)據(jù)位是同時(shí)發(fā)送的，每個(gè)都通過單獨(dú)的線路。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的并行傳輸：
SPI通信簡介
SPI的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢是可以不間斷地傳輸數(shù)據(jù)?？梢赃B續(xù)流發(fā)送或接收任意數(shù)量的比特。使用I2C和UART，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送，限制為特定的位數(shù)。啟動和停止條件定義每個(gè)數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，因此數(shù)據(jù)在傳輸過程中會被中斷。
通過SPI通信的設(shè)備處于主從關(guān)系。主設(shè)備是控制設(shè)備（通常是微控制器），而從設(shè)備（通常是傳感器，顯示器或存儲器芯片）接收來自主設(shè)備的指令。最簡單的SPI配置是單主機(jī)，單從機(jī)系統(tǒng)，但是一個(gè)主機(jī)可以控制多個(gè)從機(jī)（下面將詳細(xì)介紹）。
SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間。
SPI如何工作
時(shí)鐘信號將來自主設(shè)備的數(shù)據(jù)位輸出與從設(shè)備的位采樣同步。在每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扔蓵r(shí)鐘信號的頻率決定。由于主設(shè)備配置并生成時(shí)鐘信號，因此SPI時(shí)鐘始終為主設(shè)備的時(shí)鐘。
設(shè)備共享時(shí)鐘信號的任何通信協(xié)議稱為同步。SPI是一種同步通信協(xié)議，還有一些不使用時(shí)鐘信號的異步方法。例如，在UART通信中，雙方都設(shè)置為預(yù)先配置的波特率，該波特率決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜁r(shí)間。
SPI中的時(shí)鐘信號可以使用時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位屬性進(jìn)行修改。這兩個(gè)屬性協(xié)同工作以定義何時(shí)輸出以及何時(shí)對它們進(jìn)行采樣。時(shí)鐘極性可由主機(jī)設(shè)置，以允許在時(shí)鐘周期的上升沿或下降沿輸出和采樣。時(shí)鐘相位也可以由主機(jī)設(shè)置，以便在時(shí)鐘周期的第一個(gè)邊沿或第二個(gè)邊沿上進(jìn)行輸出和采樣，無論是上升還是下降。
從設(shè)備選擇
主設(shè)備可以通過將從設(shè)備的CS / SS線設(shè)置為低電壓電平來選擇要通話的從設(shè)備。在空閑非傳輸狀態(tài)中，從選擇線保持在高電壓電平。主機(jī)上可能有多個(gè)CS / SS引腳，以允許多個(gè)從機(jī)并聯(lián)連接。如果只有一個(gè)CS/SS引腳，則可以通過菊花鏈將多個(gè)從器件連接到主器件。
多個(gè)從設(shè)備
SPI可以設(shè)置為使用單個(gè)主設(shè)備和單個(gè)從設(shè)備進(jìn)行操作，也可以設(shè)置通過單個(gè)主設(shè)備控制多個(gè)從設(shè)備。有兩種方法可以將多個(gè)從站連接到主站。如果主機(jī)有多個(gè)從機(jī)選擇引腳，則從機(jī)可以并聯(lián)連接，如下所示：
如果只有一個(gè)從選擇引腳可用，則從器件可以菊花鏈?zhǔn)竭B接，如下所示：
MOSI和MISO
主機(jī)通過MOSI線串行發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)。從器件接收MOSI引腳上的主器件發(fā)送的數(shù)據(jù)。從主設(shè)備發(fā)送到從設(shè)備的數(shù)據(jù)通常首先以最高有效位發(fā)送。
從機(jī)還可以通過串行的MISO線路將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。從從設(shè)備發(fā)送回主設(shè)備的數(shù)據(jù)通常首先以最低有效位發(fā)送。
SPI數(shù)據(jù)傳輸步驟
1.主機(jī)輸出時(shí)鐘信號：
SPI的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
沒有啟動和停止位，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)流式傳輸而不會中斷
沒有復(fù)雜的從機(jī)尋址系統(tǒng)，如I2C
比I2C更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（幾乎快兩倍）
單獨(dú)的MISO和MOSI線，因此可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)
缺點(diǎn)
使用四根線（I2C和UART使用兩根）
無法確認(rèn)數(shù)據(jù)已成功接收（I2C已執(zhí)行此操作）
沒有錯(cuò)誤檢查，如UART中的奇偶校驗(yàn)位
僅允許單個(gè)主機(jī)
最后
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