一文看懂SPI协议

有哪些内容？

• SPI协议简介

• 4线还是3线？

• 4种工作模式

• 多种传输速率

• SPI协议的时序

• SPI协议的升级版

• FPGA实现SPI协议

• SPI和IIC的对比

• 总结

SPI协议简介

板卡内不同芯片间通讯最常用的三种串行协议：UART、I2C、SPI，之前写过串口协议及其FPGA实现，今天我们来介绍SPI协议，SPI是Serial Perripheral Interface的简称，是由Motorola公司推出的一种高速、全双工的总线协议。

与IIC类似，SPI也是采用主从方式工作，主机通常为FPGA、MCU或DSP等可编程控制器，从机通常为EPROM、Flash，AD/DA，音视频处理芯片等设备。一般由SCLK、CS、MOSI，MISO四根线组成，有的地方可能是：SCK、SS、SDI、SDO等名称，都是一样的含义，当有多个从机存在时，通过CS来选择要控制的从机设备。和标准SPI类似的协议，还有TI的SSP协议，区别主要在片选信号的时序上。

4线还是3线？

当我们谈到SPI时，默认情况下都是指标准的4线制Motorola SPI协议，即SCLK，MOSI，MISO和CS共4根数据线，标准4线制的好处是可以实现数据的全双工传输。当只有一个主机和一个从机设备时，只需要一个CS，多个从机需要多个CS，各数据线的介绍：

• SCLK，时钟信号，时钟频率即SPI速率，和SPI模式有关

• MOSI，主机输出，从机输入

• MISO，主机输入，从机输出

• CS，从机设备选择，低电平有效

3线制SPI，根据不同的应用场景，主要有以下2种类型：

• 只有3根线：SCLK，CS和DI或DO，适用于单工通讯，主机只发送或接收数据。

• 只有3根线：SCLK，SDIO和CS，这里的SDIO作为双向端口，适用于半双工通讯，比如ADI的多款ADC芯片都支持双向传输。在使用FPGA操作双向端口时，作为输入时要设置为高阻态z。

还有标准SPI协议的升级版，Dual SPI、Quad SPI和QPI等，这些协议不在本小节3线/4线制讨论的范围内，文章后面会提到。

4种工作模式

既然是进行数据传输，双方就要明确从机在什么时刻去采样主机发出的数据，主机在什么时刻去读取从机发来的数据。对于STM32等MCU自带的硬件SPI外设来说，可能没有那么重要，只需要配置一下模式就行了，但是对于使用使用GPIO模拟或者FPGA来实现SPI的时序，这一点是非常重要的，这就涉及到SPI标准协议的工作模式了，通过CPOL（Clock Polarity）时钟极性和CPHA（Clock Phase）时钟相位的不同组合，可以分为4种模式。

一般从机器件的工作模式是固定的，主机需要采用一样的工作模式，双方才能正常“交流”。

CPOL=0表示，SCK在空闲状态时为0
CPOL=1表示，SCK在空闲状态时为1
CPHA=0表示，在SCK第一个边沿时输入输出数据有效
CPHA=1表示，在SCK第二个边沿时输入输出数据有效
这四种模式中，应用最广泛的是模式0和3，大多数SPI器件都同时支持这两种工作模式，其实这些都不重要，具体采用什么模式，看你的器件手册就知道了。

以我最近工作中使用到的一款Cypress的铁电存储器FM25V05为例，在其官方DataSheet上介绍同时支持SPI Mode 0和Mode 3，

根据后面的时序图，可以得知SPI mode 0的读写时序，图中可以看出SCK空闲状态为低电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。

对于SPI mode0，SCK空闲状态为高电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。

模式1和模式2同理，模式1即CPOL=0，CPHA=1，SCK空闲为0，在SCK第二个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。

模式2即CPOL=1，CPHA=0，SCK空闲为1，在SCK第一个边沿时数据有效，即SCK下降沿有效。

在一些自带SPI硬件外设的MCU上，设置主机的SPI模式非常简单，只需要配置几个寄存器的值即可，而且是写了SCK高电平还是低电平，和第一个还是第二个边沿，不用去记忆等于0还是等于1。以STM32F103硬件SPI配置为例：

SPI_InitTypeDef  SPI_InitStruct;

SPI_InitStruct.SPI_Mode =SPI_Mode_Master;       //主
.....
SPI_InitStruct.SPI_CPOL =SPI_CPOL_High; //SCK空闲时为高电平
SPI_InitStruct.SPI_CPHA =SPI_CPHA_1Edge;//SCK第一个边沿有效
.....
SPI_Init(SPI2,