當(dāng)你將微控制器連接到傳感器、顯示器或其他模塊時(shí)，你有沒有想過這兩個(gè)設(shè)備是如何相互通信的？它們到底在說什么？它們是如何相互理解的？

電子設(shè)備之間的通信就像人與人之間的通信。雙方需要使用相同的語言。在電子領(lǐng)域，這些語言被稱為通信協(xié)議 。幸運(yùn)的是，在構(gòu)建大多數(shù) DIY 電子項(xiàng)目時(shí)，我們只需要了解少數(shù)幾種通信協(xié)議。在本系列文章中，我們將討論三種最常見協(xié)議的基礎(chǔ)知識：串行外設(shè)接口 (SPI)、 集成電路間通信 (I2C) 和通用異步收發(fā)器 (UART) 驅(qū)動(dòng)的通信 。

首先，我們將介紹一些電子通信的基本概念，然后詳細(xì)解釋 SPI 的工作原理。在下一篇文章中，我們將討論 UART 驅(qū)動(dòng)的通信，在第三篇文章中，我們將深入探討 I2C 通信。

SPI、I2C 和 UART 比 USB、以太網(wǎng)、藍(lán)牙和 WiFi 等協(xié)議慢得多，但它們更簡單，占用的硬件和系統(tǒng)資源更少。SPI、I2C 和 UART 非常適合微控制器之間以及微控制器與傳感器之間的通信，因?yàn)檫@些通信不需要傳輸大量高速數(shù)據(jù)。

串行與并行通信

電子設(shè)備通過物理連接的線路發(fā)送數(shù)據(jù)位來實(shí)現(xiàn)相互通信。比特就像單詞中的一個(gè)字母 ，只不過它不是英文字母表中的 26 個(gè)字母，而是二進(jìn)制的，并且只能是 1 或 0。比特通過電壓的快速變化從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備。在一個(gè)工作電壓為 5 V 的系統(tǒng)中，0 比特通過 0 V 的短脈沖傳輸，而 1 比特通過 5 V 的短脈沖傳輸。

數(shù)據(jù)位可以并行或串行傳輸。在并行通信中，所有數(shù)據(jù)位同時(shí)發(fā)送，每個(gè)位通過單獨(dú)的線路。下圖顯示了二進(jìn)制字母“C”（01000011）的并行傳輸：

在串行通信中，位通過單線逐位發(fā)送。下圖顯示了二進(jìn)制字母“C”（01000011）的串行傳輸：

SPI 通信簡介

SPI 是許多不同設(shè)備使用的常見通信協(xié)議。例如，SD 卡讀卡器模塊 、 RFID 卡讀卡器模塊和 2.4 GHz 無線發(fā)射器/接收器都使用 SPI 與微控制器通信。

SPI 的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢是數(shù)據(jù)傳輸不間斷。它可以連續(xù)地發(fā)送或接收任意數(shù)量的比特。而 I2C 和 UART 則以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)包的比特?cái)?shù)有限。起始和停止條件定義了每個(gè)數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，因此數(shù)據(jù)在傳輸過程中會被中斷。

通過 SPI 通信的設(shè)備屬于主從關(guān)系。主設(shè)備是控制設(shè)備（通常是微控制器），而從設(shè)備（通常是傳感器、顯示器或存儲芯片）則接受主設(shè)備的指令。SPI 最簡單的配置是單主單從系統(tǒng)，但一個(gè)主設(shè)備可以控制多個(gè)從設(shè)備（下文將詳細(xì)介紹）。

MOSI（主輸出/從屬輸入） ——主機(jī)向從屬機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的線路。

MISO（主輸入/從輸出） ——從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的線路。

SCLK（時(shí)鐘） ——時(shí)鐘信號線。

SS/CS（從機(jī)選擇/片選） ——主機(jī)選擇向哪個(gè)從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的線路。

*實(shí)際上，從機(jī)的數(shù)量受到系統(tǒng)負(fù)載電容的限制，這降低了主機(jī)在電壓水平之間準(zhǔn)確切換的能力。

SPI 的工作原理

時(shí)鐘

時(shí)鐘信號將主機(jī)的數(shù)據(jù)位輸出與從機(jī)的位采樣同步。每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時(shí)鐘信號的頻率。SPI 通信始終由主機(jī)發(fā)起，因?yàn)橹鳈C(jī)負(fù)責(zé)配置和生成時(shí)鐘信號。

任何設(shè)備共享時(shí)鐘信號的通信協(xié)議都稱為同步通信協(xié)議。SPI 就是一種同步通信協(xié)議。此外，還有一些異步通信方法不使用時(shí)鐘信號。例如，在 UART 通信中，兩端都設(shè)置為預(yù)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。

SPI 中的時(shí)鐘信號可以使用時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位的屬性進(jìn)行修改。這兩個(gè)屬性共同定義位輸出和采樣的時(shí)間。主設(shè)備可以設(shè)置時(shí)鐘極性，以允許在時(shí)鐘周期的上升沿或下降沿輸出和采樣位?？梢栽O(shè)置時(shí)鐘相位，使輸出和采樣發(fā)生在時(shí)鐘周期的第一個(gè)邊沿或第二個(gè)邊沿，無論是上升沿還是下降沿。

從屬選擇

主機(jī)可以通過將從機(jī)的 CS/SS 線設(shè)置為低電平來選擇要與哪個(gè)從機(jī)通信。在空閑、非傳輸狀態(tài)下，從機(jī)選擇線保持高電平。主機(jī)上可能有多個(gè) CS/SS 引腳，這樣就可以并行連接多個(gè)從機(jī)。如果只有一個(gè) CS/SS 引腳，則可以通過菊花鏈方式將多個(gè)從機(jī)連接到主機(jī)。

多個(gè)從屬

SPI 可以設(shè)置為單主機(jī)單從機(jī)模式，也可以設(shè)置為單主機(jī)控制多從機(jī)模式。將多從機(jī)連接到主機(jī)有兩種方法。如果主機(jī)有多個(gè)從機(jī)選擇引腳，則可以像這樣并聯(lián)連接多從機(jī)：

如果只有一個(gè)從機(jī)選擇引腳可用，則可以像這樣以菊花鏈形式連接從機(jī)：

MOSI 和 MISO

主機(jī)通過 MOSI 線以串行方式逐位向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。從機(jī)通過 MOSI 引腳接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通常先發(fā)送最高有效位。

從機(jī)也可以通過串行 MISO 線將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。從機(jī)發(fā)送回主機(jī)的數(shù)據(jù)通常以最低有效位優(yōu)先的方式發(fā)送。

SPI 數(shù)據(jù)傳輸步驟

1、主機(jī)輸出時(shí)鐘信號：

2、主機(jī)將 SS/CS 引腳切換至低電壓狀態(tài)，從而激活從機(jī)：
3、主機(jī)通過 MOSI 線將數(shù)據(jù)逐位發(fā)送給從機(jī)。從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，讀取這些位：

4、如果需要響應(yīng)，從設(shè)備會通過 MISO 線一次一位地向主設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)。主設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后會讀取這些位：

SPI 的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

使用 SPI 有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如果要在不同的通信協(xié)議之間進(jìn)行選擇，您應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目要求知道何時(shí)使用 SPI：

優(yōu)勢

沒有起始位和停止位，因此數(shù)據(jù)可以連續(xù)傳輸而不會中斷

沒有像 I2C 那樣復(fù)雜的從屬尋址系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸速率比 I2C 更高（幾乎快兩倍）

分離 MISO 和 MOSI 線路，以便可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

缺點(diǎn)

使用四根線（I2C 和 UART 使用兩根）

沒有確認(rèn)數(shù)據(jù)已成功接收（I2C 有此情況）

沒有像 UART 中的奇偶校驗(yàn)位那樣的錯(cuò)誤檢查形式

僅允許單個(gè)主機(jī)

希望本文能幫助您更好地理解 SPI。