ADI官方文档：SPI接口简介
原文链接：
https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/introduction-to-spi-interface.html
之前详细介绍过SPI协议，今天分享一篇ADI官方文档AN-1284：SPI接口介绍
串行外设接口(SPI)是微控制器和外围IC（如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之间使用较广泛的接口之一。本文先简要说明SPI接口，然后介绍ADI公司支持SPI的模拟开关与多路转换器，以及它们如何帮助减少系统电路板设计中的数字GPIO数量。
SPI是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI接口可以是3线式或4线式。本文重点介绍常用的4线SPI接口。
接口
4线SPI器件有四个信号：
时钟(SPI CLK, SCLK)
片选(CS)
主机输出、从机输入(MOSI)
主机输入、从机输出(MISO)
产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的时钟频率。用户应查阅产品数据手册以了解SPI接口的时钟频率规格。
SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。图1显示了主机和从机之间的SPI连接。
来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。
MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。
数据传输
要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能CS信号选择从机。片选通常是低电平有效信号。因此，主机必须在该信号上发送逻辑0以选择从机。SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。在SPI通信期间，数据的发送（串行移出到MOSI/SDO总线上）和接收（采样或读入总线(MISO/SDI)上的数据）同时进行。串行时钟沿同步数据的移位和采样。SPI接口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。欲确定使用SPI接口传输的数据位数，请参阅器件数据手册。
时钟极性和时钟相位
在SPI中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。在空闲状态期间，CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。表1显示了这4种SPI模式。
| SPI 模式 | CPOL | CPHA | 空闲状态下的时钟极性 | 用于采样和/或移位数据的时钟相应 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 逻辑低电平 | 数据在上升沿采样，在下降沿移出 |
| 1 | 0 | 1 | 逻辑低电平 | 数据在下降沿采样，在上升沿移出 |
| 2 | 1 | 1 | 逻辑低电平 | 数据在下降沿采样，在上升沿移出 |
| 3 | 1 | 0 | 逻辑低电平 | 数据在上升沿采样，在下降沿移出 |
图2至图5显示了四种SPI模式下的通信示例。在这些示例中，数据显示在MOSI和MISO线上。传输的开始和结束用绿色虚线表示，采样边沿用橙色虚线表示，移位边沿用蓝色虚线表示。请注意，这些图形仅供参考。要成功进行SPI通信，用户须参阅产品数据手册并确保满足器件的时序规格。
图3给出了SPI模式1的时序图。在此模式下，时钟极性为0，表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在下降沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升沿移出（由蓝色虚线显示）。
图4给出了SPI模式2的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为1，表示数据在下降沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的上升沿移出（由蓝色虚线显示）。
图5给出了SPI模式3的时序图。在此模式下，时钟极性为1，表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为0，表示数据在上升沿采样（由橙色虚线显示），并且数据在时钟信号的下降沿移出（由蓝色虚线显示）。
多从机配置
多个从机可与单个SPI主机一起使用。从机可以采用常规模式连接，或采用菊花链模式连接。
常规SPI模式：
在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能（拉低）片选信号，MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。
从图6可以看出，随着从机数量的增加，来自主机的片选线的数量也增加。这会快速增加主机需要提供的输入和输出数量，并限制可以使用的从机数量。可以使用其他技术来增加常规模式下的从机数量，例如使用多路复用器产生片选信号。
菊花链模式：
图7. 多从机SPI菊花链配置。
在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。
使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。例如在图7所示的8位系统中，为使第3个从机能够获得数据，需要24个时钟脉冲，而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。图8显示了时钟周期和通过菊花链的数据传播。并非所有SPI器件都支持菊花链模式。请参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。
最先传输的0xA5将会被配置到最远端的SPI器件，而最后传输的0x0A将会被配置到最近的SPI器件，所有的配置数据将会在CS的下降沿进行更新。
文档下载
中文版：
https://www.analog.com/media/cn/analog-dialogue/volume-52/number-3/introduction-to-spi-interface_cn.pdf
英文版：
https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-1248.pdf
本文作者
Piyu Dhaker
Piyu Dhaker是ADI公司北美核心应用部门的应用工程师。2007年毕业于圣何塞大学，获电气工程硕士学位。2017年6月加入北美核心应用部门。此前，她也在ADI公司的汽车传动系统部门和电源管理 部门工作过。