當(dāng)您將微控制器連接到傳感器，顯示器或其他模塊時(shí)，您是否考慮過這兩種設(shè)備是如何相互通信的？他們到底在說什么？

事實(shí)上電子設(shè)備之間的通信就像人類之間的交流，雙方都需要說相同的語言。在電子產(chǎn)品中，這些語言稱為通信協(xié)議。首先我們將從一些基本概念入手，然后再詳細(xì)說明SPI的工作原理。

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串行VS并行

電子設(shè)備通過發(fā)送數(shù)據(jù)位從而實(shí)現(xiàn)相互交談。位是二進(jìn)制的，只能是1或0。通過電壓的快速變化，位從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備。在以5V工作的系統(tǒng)中，“0”通過0V的短脈沖進(jìn)行通信，而“1”通過5V的短脈沖進(jìn)行通信。 

數(shù)據(jù)位可以通過并行或串行的形式進(jìn)行傳輸。 在并行通信中，數(shù)據(jù)位在導(dǎo)線上同時(shí)傳輸。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的并行傳輸：

在串行通信中，位通過單根線一一發(fā)送。下圖顯示了二進(jìn)制（01000011）中字母“C”的串行傳輸：

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SPI總線

SPI是一種常見的設(shè)備通用通信協(xié)議。它有一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢就是可以無中斷傳輸數(shù)據(jù)，可以連續(xù)地發(fā)送或接收任意數(shù)量的位。而在I2C和UART中，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，有著限定位數(shù)。在SPI設(shè)備中，設(shè)備分為主機(jī)與從機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)是控制設(shè)備（通常是微控制器），而從機(jī)（通常是傳感器，顯示器或存儲芯片）從主機(jī)那獲取指令。一套SPI通訊共包含四種信號線：MOSI (Master Output/Slave Input) – 信號線，主機(jī)輸出，從機(jī)輸入。MISO (Master Input/Slave Output) – 信號線，主機(jī)輸入，從機(jī)輸出。SCLK (Clock) – 時(shí)鐘信號。SS/CS (Slave Select/Chip Select) – 片選信號。

實(shí)際上，從機(jī)的數(shù)量受系統(tǒng)負(fù)載電容的限制，它會降低主機(jī)在電壓電平之間準(zhǔn)確切換的能力。

工作原理

時(shí)鐘信號

每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热Q于時(shí)鐘信號的頻率。 時(shí)鐘信號由于是主機(jī)配置生成的，因此SPI通信始終由主機(jī)啟動(dòng)。 

設(shè)備共享時(shí)鐘信號的任何通信協(xié)議都稱為同步。SPI是一種同步通信協(xié)議，還有一些異步通信不使用時(shí)鐘信號。 例如在UART通信中，雙方都設(shè)置為預(yù)先配置的波特率，該波特率決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜁r(shí)序。

片選信號

主機(jī)通過拉低從機(jī)的CS/SS來使能通信。 在空閑/非傳輸狀態(tài)下，片選線保持高電平。在主機(jī)上可以存在多個(gè)CS/SS引腳，允許主機(jī)與多個(gè)不同的從機(jī)進(jìn)行通訊。

如果主機(jī)只有一個(gè)片選引腳可用，則可以通過以下方式連接這些從器件：

MOSI和MISO

主機(jī)通過MOSI以串行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)也可以通過MISO將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，兩者可以同時(shí)進(jìn)行。所以理論上，SPI是一種全雙工的通訊協(xié)議。

2. 主機(jī)拉低SS / CS引腳，激活從機(jī)

3. 主機(jī)通過MOSI將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)

4. 如果需要響應(yīng)，則從機(jī)通過MISO將數(shù)據(jù)返回給主機(jī)

使用SPI有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如果在不同的通信協(xié)議之間進(jìn)行選擇，則應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行充分考量。

優(yōu)劣

優(yōu)點(diǎn)

SPI通訊無起始位和停止位，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)流傳輸而不會中斷；沒有像I2C這樣的復(fù)雜的從站尋址系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速率比I2C更高（幾乎快兩倍）。獨(dú)立的MISO和MOSI線路，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

缺點(diǎn)

SPI使用四根線（I2C和UART使用兩根線），沒有信號接收成功的確認(rèn)（I2C擁有此功能），沒有任何形式的錯(cuò)誤檢查（如UART中的奇偶校驗(yàn)位等）。

UART代表通用異步接收器/發(fā)送器也稱為串口通訊，它不像SPI和I2C這樣的通信協(xié)議，而是微控制器中的物理電路或獨(dú)立的IC。UART的主要目的是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，其最好的優(yōu)點(diǎn)是它僅使用兩條線在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。UART的原理很容易理解，但是如果您還沒有閱讀SPI 通訊協(xié)議，那可能是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。

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