嵌入式基础知识学习：SPI通信协议是什么？

SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外设接口的缩写，是一种广泛应用于嵌入式系统的高速同步串行通信协议，由摩托罗拉公司于20世纪80年代提出。以下是其核心要点：

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一、SPI的核心定义与特点

1. 基本特性

   • 全双工同步通信：支持同时发送和接收数据，通过主设备提供的时钟（SCLK）实现精确时序同步。
   • 主从架构：一个主设备（Master）控制一个或多个从设备（Slave），通过片选信号（SS/CS）选择通信对象。
   • 四线制接口：包括SCLK（时钟）、MOSI（主发从收）、MISO（主收从发）、SS（片选）四根信号线，硬件连接简单。
   • 高速传输：无固定速率限制，实际应用中可达10 Mbps甚至更高。

2. 工作原理

   • 数据交换：主从设备通过移位寄存器实现数据交换，每个时钟周期传输1位数据，通常从最高位（MSB）开始。
   • 片选机制：主设备通过拉低对应从设备的SS信号线激活通信，避免多从机数据冲突。
   • 无流控与寻址：SPI不定义应答机制或地址方案，需通过片选信号和时序协议控制通信。

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二、SPI的四种工作模式

SPI的通信模式由**时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）**组合决定：

• CPOL：定义时钟空闲状态电平（0=低电平，1=高电平）。
• CPHA：定义数据采样边沿（0=第一个边沿采样，1=第二个边沿采样）。

模式	CPOL	CPHA	特点（以空闲状态为起点）
Mode0	0	0	上升沿采样，下降沿输出数据
Mode1	0	1	下降沿采样，上升沿输出数据
Mode2	1	0	下降沿采样，上升沿输出数据
Mode3	1	1	上升沿采样，下降沿输出数据

主从设备必须配置相同模式，否则通信失败。

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三、SPI的典型应用场景

1. 嵌入式系统外设连接

   • 存储器：如EEPROM、FLASH的读写操作。
   • 传感器与ADC/DAC：如温度传感器、加速度计、模数/数模转换器。
   • 显示与通信模块：如LCD驱动器、CAN控制器（如NX8615）。

2. 工业与消费电子

   • 汽车电子、医疗设备、智能家居等需要高速数据传输的场景。

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四、SPI的优缺点

优点	缺点
全双工高速传输，效率高	无内置流控和应答机制，可靠性依赖硬件设计
硬件实现简单，成本低	需多根信号线（相比I²C）
支持灵活时序配置	仅支持单主设备，扩展性受限
无需地址编码	片选信号占用较多引脚（多从机时）

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总结

在电子工程领域，SPI主要指串行外设接口协议，其核心价值在于提供高效、灵活的设备间通信方式。理解其工作模式与硬件配置是嵌入式开发的关键基础。