串行通讯 - SPI通讯原理详解

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种广泛应用于嵌入式系统中的串行通信协议，它以其高速度和简单性在各种设备间传输数据，如微控制器与传感器、存储器等外设之间的通信。SPI通信主要依赖四条通讯线：时钟线SCLK、主机输出从机输入的数据线MOSI、主机输入从机输出的数据线MISO以及从机选择线SS。SS线通常用于选择要通信的特定从机，可以是多条，以便一个主机能与多个从机进行通信。 在SPI通信中，有两个关键参数定义了数据传输的时序，即极性CPOL（Clock Polarity）和相位CPHA（Clock Phase）。CPOL决定了时钟信号在空闲状态下的电平。当CPOL设置为0时，空闲时SCLK为低电平；如果CPOL设置为1，则SCLK为空闲时的高电平。而CPHA则规定了数据何时被采样。如果CPHA=0，数据在时钟的第一个边沿（上升或下降）被采样；若CPHA=1，则在第二个边沿进行采样。 下面是四种不同的CPOL和CPHA组合及其对应的数据传输模式： 1. CPOL=0, CPHA=0：在这种模式下，SCLK空闲时为低电平，数据在时钟的上升沿被采样。因此，MOSI数据线在每个SCLK的上升沿之前必须准备好数据，MISO则在上升沿读取数据。这意味着数据的准备和读取都是在时钟周期的中间时刻完成的。 2. CPOL=0, CPHA=1：SCLK仍然在空闲时为低电平，但数据采样发生在时钟的下降沿。因此，数据在SCLK的下降沿被采样，而MISO在下降沿发送数据。 3. CPOL=1, CPHA=0：与前两种情况相反，SCLK在空闲时为高电平，数据在时钟的下降沿被采样。MOSI在下降沿前准备好数据，MISO在下降沿发送数据。 4. CPOL=1, CPHA=1：SCLK在空闲时保持高电平，数据在时钟的上升沿被采样。此时，MOSI数据线需要在上升沿前准备好，MISO在上升沿读取数据。 为了保证SPI通信的正确性，主机和从机必须配置相同的CPOL和CPHA值。此外，SPI通信的速度由SCLK的频率决定，该频率可以根据具体应用的需求进行调整，以达到更高的传输速率或更远的通信距离。 SPI通讯原理的核心在于理解时钟信号的极性和相位，以及如何根据这些参数来协调数据的传输。通过精确地控制这些参数，SPI可以实现高效、可靠的串行通信，广泛应用于需要快速交换大量数据的场合，如SPI闪存、无线模块以及其他多种嵌入式系统的外设连接。在设计和调试SPI通信系统时，必须确保所有参与通信的设备都正确配置了CPOL和CPHA，以避免数据错误和通信失败。