串行外設介面（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一種用於晶片通訊的同步串行通訊介面規範，主要應用於單晶片系統中的訊號傳遞。類似的技術還有I²C等。 摩托羅拉公司於20世紀80年代中期首先開發出此傳輸介面，之後逐漸發展為行業規範之一。它的典型應用有快閃記憶體[1][2]、EEPROM、SD卡與液晶顯示器。
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SPI裝置之間使用全雙工模式通訊，是一個主機和一個或多個從機的主從模式。主機負責初始化訊框，這個資料傳輸訊框可以用於讀與寫兩種操作，片選線路可以從多個從機選擇一個來回應主機的請求。
有時SPI介面被稱作四線式介面，這是為了與其他不同線制的資料傳輸介面加以區分。SPI準確來講應為「同步串行介面」，但是它又與同步串行介面協定（SSI）是完全不同的兩種協定。雖然SSI也是一個四線式同步通訊協定，但是它使用差分訊號，而且僅提供一個單工通訊信道。於此相對地，SPI是一個單主機多從機的通訊介面。
SPI是一種事實標準，也就是說這種規範沒有對應的技術標準。因此各個廠家生產的SPI器件組態不一樣，不一定有互操作性。
介面
SPI匯流排規定了4個保留邏輯訊號介面：
- SCLK（Serial Clock）：串列時脈，由主機發出
- MOSI（Master Output, Slave Input）：主機輸出，從機輸入訊號（資料由主機發出）
- MISO（Master Input, Slave Output）：主機輸入，從機輸出訊號（資料由從機發出）
- SS（Slave Select）：片選訊號，由主機發出，一般是低電位有效
儘管上述的引腳名稱是最常用的，但是，在過去有時使用其他引腳命名方式，因此舊的積體電路產品的SPI埠引腳名稱可能有所不同。
操作
SPI匯流排的通訊操作，可以在單個主機與一個或多個從機之間進行。
在單一從機的情況下，若從機允許，SS線可以固定為邏輯低電平。然而一些從機需要片選訊號的負緣觸發來啟動，例如Maxim MAX1242 ADC在高→低轉換時才會開始進行模數轉換。對於多個從機，每個從機都需要一個獨立的SS訊號。
大多數從機具有三態邏輯的特性，所以當從機未被選中時，它們的MISO訊號變為高阻抗（邏輯斷開）。沒有三態輸出的裝置不能與其他裝置共享SPI匯流排段，但是能使用外接的三態邏輯快取來解決此問題。
為了開始通訊，匯流排上的主裝置需要使用從裝置支援的頻率來組態時鐘，這個頻率最高為幾兆赫茲左右。然後主裝置將某個從裝置的SS線置為低電平，來選中這個從裝置。如果等待時間是必要的話（例如進行模數轉換），主裝置必須在這段時間結束後，才可以發出時鐘周期訊號。
在每個SPI時鐘周期內，都會發生全雙工資料傳輸。主裝置在MOSI線上傳送一個位，從裝置讀取它，同時從機在MISO線上傳送一位資料，主機讀取它。即使只有單向資料傳輸的目的，主從機之間的通訊工作方式仍然是雙工的。
傳輸通常會使用給定字長的兩個移位暫存器，一個在主裝置中，一個在從裝置中，這兩個暫存器連接成一個虛擬的環形緩衝區。資料通常先從最高位移出。在時鐘訊號邊沿，主機和從機均移出一位，然後在傳輸線上輸出給對方。在下一個時鐘沿，每個接收器都從傳輸線接受對方發出的資料位，並且從移位暫存器的最低位推入。每完成這樣一個移出——推入的周期後，主機和從機就交換暫存器中的一位資料。當所有資料位都經過了這樣的移出——推入過程後，主機和從機就完成了暫存器上的資料交換。如果需要交換的資料比暫存器的位數還要長的話，則需要重新載入移位暫存器並重複該過程。傳輸可能會持續任意數量的時鐘周期。完成後，主裝置會停止傳送時鐘訊號，並通常會取消選擇從裝置。
傳輸暫存器通常包含8位元。但是其他字長也很常見，例如觸控式螢幕控制器或音訊編解碼器通常採用16位元字長（如德州儀器的TSC2101），許多數模轉換或者模數轉換的裝置則會採用12位元字長。
所有在匯流排上的沒有被片選線啟用的從裝置必須忽略輸入時鐘和MOSI訊號，並且不得從MISO傳送資料。
在獨立的從裝置組態中，每個從裝置都有獨立的晶片選擇線。在一般情況下，要通過上拉電阻將片選線（ss線）與電源連接起來，以減少器件之間的串擾[3]。 由於從機的MISO引腳連接在一起，因此它們需要為三態引腳（高，低或高阻抗）。
SPI從裝置有時會使用另一條訊號線將中斷訊號傳送到主裝置的CPU。 例子包括來自觸控式螢幕感測器的筆下中斷，來自溫度感測器的熱限制警報，即時時鐘晶片發出的警報， SDIO以及來自手機中聲音編解碼器的耳機插孔插入。 SPI標準中並不包括中斷。 中斷的使用既不被禁止也不被標準規定。
/*
* 通过SPI协议在主设备和从设备之间交换一个字节的数据
*
* Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
* - 输入数据在SCLK的上升沿捕获。
* - 输出数据在SCLK的下降沿传播。
*
* 返回接收到的一字节的数据
*/
uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out)
{
uint8_t byte_in = 0;
uint8_t bit;
for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {
/* Shift-out a bit to the MOSI line */
write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);
/* Delay for at least the peer's setup time */
delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);
/* Pull the clock line high */
write_SCLK(HIGH);
/* Shift-in a bit from the MISO line */
if (read_MISO() == HIGH)
byte_in |= bit;
/* Delay for at least the peer's hold time */
delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);
/* Pull the clock line low */
write_SCLK(LOW);
}
return byte_in;
}
優點和缺點
- 即使是三線式SPI，也需要比I²C更多的IC線路
- 沒有帶內定址; 共享匯流排上需要帶外片選訊號
- 從機不支援流控制 （但主機可以延遲下一個時鐘邊沿以降低傳輸速率）
- 不支援動態添加節點（熱插拔）。
- 沒有從機檢測機制，主機無法檢測是否與從機斷開。
- 通常只支援一個主裝置（取決於裝置的硬體實現）
- 沒有錯誤檢測機制，不像I²C在每個位元組後有回覆訊號
- 無法進行資料檢驗，不定義額外的協定時（如CRC）無法保證數據正確性。
- 與RS-232 ， RS-485或CAN匯流排相比，它只能處理短距離內的資料傳輸。（距離可以通過使用收發器如RS-422進行擴充）
- 有許多現有的變體，使得很難找到支援這些變體的主機配接器等開發工具。
- 一些變體，如雙路SPI ， 四路SPI和三線SPI是半雙工的。
- 必須通過帶外訊號來實現中斷，或者通過使用類似於USB 1.1和2.0的定期輪詢來類比中斷
參見
- I²C
- 網路匯流排列表
參考文獻
外部連結
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