嵌入式教育科普|SPI接口全面解析

在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)接口作為信息交互的核心樞紐，扮演著不可或缺的角色。各類接口通過標準化的通信協(xié)議與規(guī)范，實現(xiàn)了設(shè)備間的高效數(shù)據(jù)傳輸與智能協(xié)同。作為嵌入式開發(fā)的核心技術(shù)之一，接口的深入理解與熟練運用直接決定了嵌入式系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與性能優(yōu)化。本文將以SPI（Serial Peripheral Interface）接口為切入點，詳細剖析其工作原理與技術(shù)特點，旨在為屏幕前渴望掌握嵌入式開發(fā)的小伙伴構(gòu)建一個全面的接口知識體系。

一、基本概念

SPI的全稱是Serial Peripheral Interface，譯為串行外設(shè)接口。它是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，用于控制器和各種外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。SPI接口具有全雙工通信、傳輸速度快、協(xié)議簡單等特點，因此在許多需要高效率、短距離的通信場景中使用。SPI接口經(jīng)常被稱為4線串行總線，以主/從方式工作，數(shù)據(jù)傳輸過程由主機初始化。4條線號線如下：

SPI采用主從模式，通常由一個主設(shè)備（Microcontroller等控制器）和一個或多個從設(shè)備組成。

在通信過程中，由主設(shè)備來控制從設(shè)備，主設(shè)備負責生成時鐘信號，通過SCK引腳提供給從設(shè)備，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備通過MOSI向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，同時通過MISO從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。

在SPI總線上，當一個主機和多個從機進行通訊時，主設(shè)備使用SS信號選擇一個從設(shè)備進行通信，只有被選擇的從設(shè)備會響應(yīng)主設(shè)備的指令，其余從設(shè)備則保持不響應(yīng)狀態(tài)。

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二、工作模式

SPI通常有四種工作模式（0、1、2、3），主要區(qū)別在于時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）的不同設(shè)置，決定了時鐘信號在何時進行電平翻轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)采樣。

CPOL：時鐘的極性；表示SPI在空閑時，時鐘信號是高電平還是低電平。

CPHA：時鐘的相位；表示SPI設(shè)備是在SCK管腳上面的時鐘信號變?yōu)樯仙貢r觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣，還是在時鐘信號變?yōu)橄陆笛貢r出發(fā)數(shù)據(jù)采樣。至于跳變沿是上升沿還是下降沿，取決于CPOL。

主設(shè)備會根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘脈沖，時鐘脈沖組成了時鐘信號，時鐘信號通過時鐘極性和時鐘相位控制著兩個SPI設(shè)備之間核實數(shù)據(jù)交換以及何時對接收到的數(shù)據(jù)進行采樣，來保證數(shù)據(jù)在兩個設(shè)備之間是同步傳輸的。SPI主設(shè)備與通信的從設(shè)備時鐘相位和極性應(yīng)該一致。主設(shè)備SPI時鐘和極性的配置應(yīng)該由外設(shè)決定。

CPOL跟CPHA的不同組合構(gòu)成了SPI總線的四種不同模式：

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模式0（CPOL=0，CPHA=0）：

CPOL=0：空閑時候為低電平，第一個跳變沿是上升沿，第二個跳變沿是下降沿。

CPHA=0：數(shù)據(jù)在第一個跳變沿（上升沿）采樣。

模式1（CPOL=0，CPHA=1）：

CPOL=0：空閑時候為低電平，第一個跳變沿是上升沿，第二個跳變沿是下降沿。

CPHA=1：數(shù)據(jù)在第二個跳變沿（下降沿）采樣。

模式2（CPOL=1;CPHA=0）：

CPOL=1：空閑時候為高電平，第一個跳變沿是下降沿，第二個跳變沿是上升沿。

CPHA=0：數(shù)據(jù)在第一個跳變沿（下降沿）采樣。

模式3（CPOL=1;CPHA=1）：

CPOL=1：空閑時候為高電平，第一個跳變沿是下降沿，第二個跳變沿是上升沿。

CPHA=1：數(shù)據(jù)在第二個跳變沿（上升沿）采樣。

關(guān)于SPI接口就介紹到這里，衷心希望這些內(nèi)容能為屏幕前努力學習嵌入式開發(fā)的小伙伴帶來實質(zhì)性的幫助與啟發(fā)。