第一章——SPI 通信原理

1. SPI 引脚介绍

下面是典型的单主从机模式的 SPI 示意图：

SPI Circuit

MOSI(Master In Slave Out)——用于主机向从机发送数据。
MISO(Master In Slave Out)——用于从机向主机发送数据。
SCK(Serial Clock)——用于同步主从机的时钟频率。
CS(Chip Select)——也称 SS(Slave Select)，用于主机选择需要通信的从机。

2. CPOL 和 CPHA

前面讲到，SPI 的通信协议有着灵活的变种，这个变化主要是在时钟线上。即CPOL(Clock Polarity)和CPHA(Clock Phase)，也就是时钟极性和时钟相位。

CPOL 简单来说，就是时钟是在高电平时空闲还是在低电平时空闲。如果 CPOL ＝ 0，则先出现上升沿，再出现下降沿；如果 CPOL ＝ 1，先出现下降沿，再出现上升沿。大部分设备 CPOL ＝ 0。

CPHA 简单来说，就是数据是否在时钟信号的上升沿或下降沿移入或移出。如果 CPHA=0，MOSI 和 MISO 在时钟线的上升沿读取数据，下降沿改变数据；如果 CPHA=1，MOSI 和 MISO 在时钟线的下降沿读取数据，上升沿改变数据。大部分设备 CPHA ＝ 0。

根据 CPOL 和 CPHA 的不同，SPI 通信可以分为以下四类：

SPI模式示意图

通常情况下，SPI 的通信模式为模式 0。

3. SPI 的通信过程

SPI 虽然不像 UART 那样，没有开始位和结束位；但是和 I2C 相似，有开始信号和结束信号。

开始信号，主机拉低 CS，表示通信开始。

结束信号，主机拉高 CS，表示通信结束。

一般在通信过程中，MOSI 和 MISO 可以不间断地传输数据，在这之间没有校验信息，通常都是高位在前，低位在后。

下面是模式 0 的 SPI 通信时域图：

SPI通信时域图

4. SPI 的优缺点

SPI 通信的优点：

没有开始位和结束位，可以连续发送数据
没有复杂的设备地址，取而代之的是 CS
MOSI 和 MISO 可以让设备同时收发送数据
传输速度快，正常都可以达到 10MHz 甚至更高

SPI 通信的缺点：

四根线，有的设备还有 D/C 线，RST 线等，接线相对复杂
无 ACK 验证信息是否传输成功
无校验信息
只能有一个主机

5. Arduino 的 SPI 库

Arduino 的官方 SPI 库是SPI.h，Arduino Uno 只有一个 SPI 接口，即MOSI—D11，MISO—D12，SCK—D13，CS—D10，你可以使用任何 GPIO 作为 CS，不一定是 D10。

下面我们对 SPI 库部分重要的函数做简单讲解。

5.1 begin()

语法：

SPI.begin();

用于初始化 SPI。默认使用 SPI 模式 0，4MHz 时钟频率，拉高 CS，拉低 SCK 和 MOSI。

5.2 setsetClockDivider()

语法：

SPI.setClockDivider(divider);

用来配置 SPI 的时钟频率，可选参数有：

SPI_CLOCK_DIV2
SPI_CLOCK_DIV4(Default speed)
SPI_CLOCK_DIV6
SPI_CLOCK_DIV8
SPI_CLOCK_DIV16
SPI_CLOCK_DIV32
SPI_CLOCK_DIV64
SPI_CLOCK_DIV128

5.3 setBitOrder()

语法：

SPI.setBitOrder(order);

用来配置 SPI 的数据发送顺序，可选参数有：

LSBFIRST
MSBFIRST

5.4 setDataMode()

语法：

SPI.setDataMode(mode);

用来配置 SPI 的模式，可选参数有：

SPI_MODE0
SPI_MODE1
SPI_MODE2
SPI_MODE3

5.5 beginTransaction()

语法：

SPI.beginTransaction(mySettings);

用于配置更加详细的 SPI 参数，参数为SPISettings，建议不要同时使用SPI.beginTransaction(mySettings)和SPI.setClockDivider等，使用一个配置即可。

5.6 SPISettings

语法：

SPISettings mySettting(speedMaximum, dataOrder, dataMode);

参数 speedMaximum：用于设置 SPI 时钟频率，默认为 4MHz，一般这个参数要小于单片机的时钟频率，Uno 板可以达到 14MHz。

参数 dataOrder：用于设置传输数据时，是低位在前还是高位在前，默认是高位在前。可选值有MSBFIRST 和LSBFIRST。

参数 dataMode：用于设置 SPI 的通信模式，模式为前面介绍的 4 种模式，默认为模式 0。可选值有SPI_MODE0，SPI_MODE1，SPI_MODE2和SPI_MODE3。

一般设置为：

SPI.beginTransaction(SPISettings(14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));

5.7 endTransaction()

语法：

SPI.endTransaction();

放在SPI.beginTransaction(mySettings)，用于结束 SPI 通信。

5.8 transfer(), transfer16()

语法：

uint8_t receivedVal = SPI.transfer(val);
uint16_t receivedVal16 = SPI.transfer16(val16);
SPI.transfer(buffer, size);

用于发送和接收数据。参数和返回值的数据类型可以是uint8_t 或者uint16_t，也可以发送一个数据类型为uint8_t 的数组。

下面是一个使用SPI.setClockDivider的示例代码：

#include <SPI.h>
#define CS 10

void setup() {
  pinMode(CS, OUTPUT);
  SPI.begin();
  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV2);

  // transfer data 128
  digitalWrite(CS, LOW);
  SPI.transfer(128);
  digitalWrite(CS, HIGH);
}

void loop() {
}

下面是一个使用SPISettings的示例代码：


#include <SPI.h>

// using two incompatible SPI devices, A and B. Incompatible means that they
// need different SPI_MODE
const int slaveAPin = 20;
const int slaveBPin = 21;
uint8_t stat, val1, val2, result;

// set up the speed, data order and data mode
SPISettings settingsA(2000000, MSBFIRST, SPI_MODE1);
SPISettings settingsB(16000000, LSBFIRST, SPI_MODE3);

void setup() {
    // set the Slave Select Pins as outputs:
    pinMode(slaveAPin, OUTPUT);
    pinMode(slaveBPin, OUTPUT);
    // initialize SPI:
    SPI.begin();
}

void loop() {
    // read three bytes from device A
    SPI.beginTransaction(settingsA);
    digitalWrite(slaveAPin, LOW);
    // reading only, so data sent does not matter
    stat = SPI.transfer(0);
    val1 = SPI.transfer(0);
    val2 = SPI.transfer(0);
    digitalWrite(slaveAPin, HIGH);
    SPI.endTransaction();
    // if stat is 1 or 2, send val1 or val2 else zero
    if (stat == 1) {
        result = val1;
    } else if (stat == 2) {
        result = val2;
    } else {
        result = 0;
    }
    // send result to device B
    SPI.beginTransaction(settingsB);
    digitalWrite(slaveBPin, LOW);
    SPI.transfer(result);
    digitalWrite(slaveBPin, HIGH);
    SPI.endTransaction();
}

6. 适用于哪些设备

常见的使用 SPI 的设备有以下几个：

SD Card Module	RFID Module	ST7735 TFT Display

下一个章节我们将详细学习如何通过 SPI 向 MPU9250 读写数据。

技术部培训文档