一、SPI简介

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。
同样的SPI也被分为物理层和协议层

二、物理层

SPI通讯使用 3 条总线及片选线，3条总线分别为 SCK、MOSI、MISO。片选线为 SS。
1）SS:（Slave Select）从设备选择信号线，常称为片选信号线.也称为 NSS、CS。当有多个 SPI从设备与 SPI主机相连时，设备的其它信号线 SCK、MOSI及 MISO同时并联到相同的 SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这 3条总线； 而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线 I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而 SPI 协议中没有设备地址，它使用 NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以 NSS 线置低电平为开始信号，以 NSS线被拉高作为结束信号。
2）SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为f pclk /2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
3）MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
4）MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

三、协议层

与 I2C的类似，SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。
NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生，而 MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK的每个时钟周期 MOSI和 MISO传输一位数据。

3.1 通讯的起止

在图 25-2 中的标号 1 处，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号 2 处，NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

3.2 数据的有效性

SPI使用 MOSI及 MISO信号线来传输数据，使用 SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用图 25-2 中的 MSB先行模式。
在 SCK 的下降沿时刻，MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及 MISO为下一次表示数据做准备。
SPI每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

3.3 CPOL/CPHA及通讯模式

SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。

SPI模式	CPOL	CPHA	空闲时钟SCK时钟	采样时刻
0	0	0	低电平	奇数边沿
1	0	1	低电平	偶数边沿
2	1	0	高电平	奇数边沿
3	1	1	高电平	偶数边沿

时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反
时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。

我们来分析这个 CPHA=0的时序图。首先，根据 SCK在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。
无论 CPOL=0 还是=1，因为我们配置的时钟相位 CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿。**注意当 CPOL=0 的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1 的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。**所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变，数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和 MISO 的有效信号才发生切换。

四、SPI架构剖析

4.1 通讯引脚

其中 SPI1 是 APB2上的设备，最高通信速率达 36Mbtis/s，SPI2、SPI3 是 APB1上的设备，最高通信速率为 18Mbits/s。注意挂载的总线。
其中 SPI3用到了下载接口的引脚，这几个引脚默认功能是下载，第二功能才是 IO 口，如果想使用 SPI3 接口，则程序上必须先**禁用掉这几个 IO 口的下载功能。**一般在资源不是十分紧张的情况下，这几个 IO 口是专门用于下载和调试程序，不会复用为 SPI3。

4.2 时钟控制逻辑

4.3 数据控制逻辑

SPI的 MOSI及 MISO 都连接到数据移位寄存器上。数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及 MISO、MOSI 线。
通过写 SPI的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送 F 缓冲区中，通讯读“数据寄存器 DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。
数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF 位”配置成 8位及 16位模式；配置“LSBFIRST位”可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。

4.4 整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个 SPI 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的 SPI 模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等，
在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解 SPI 的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 SPI 中断信号、DMA 请求及控制NSS 信号线。
实际应用中，我们一般不使用 STM32 SPI外设的标准 NSS 信号线，而是更简单地使用普通的 GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

五、通讯过程

控制 NSS信号线，产生起始信号；
把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；
通讯开始，SCK 时钟开始运行。MOSI 把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO 则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；
当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；
等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE 标志位”为 1时，通过读取“数据寄存器 DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

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