SPI在嵌入式系統中非常普遍，無論是芯片上的系統處理器（如ARM、MIC或Power PC等高端32位處理器），還是微控制器（如AVR、PIC等），通常包括能夠以主從模式運行的SPI控制器。

系統內可編程AVR控制器，可以使用SPI接口編程；基于芯片或FPGA的設計，有時使用SPI進行通信。當我們想要與外圍設備快速傳輸數據，并對實時性有要求時，SPI是目前常用的一種技術。

(相關資料圖)

除SPI外，有許多串行接口，如Morse電報、RS232、 USB、火線、以太網等，對于許多設計來說，每個串行接口都有其優缺點，如何選擇取決于所需的數據速率、空間可用性和噪聲考慮等因素。

SPI即串行外圍接口，用來取代并行接口，這樣設計時就不必繞著PCB布線并行總線了。它提供設備之間的高速數據傳輸，摩托羅拉是第一家將SPI命名為電路技術的公司。該技術應用于上世紀70年代末的首個基于68000的MCU，用于連接周邊設備，后來被業內其他公司采用。接口的簡單性和速度，使通信或傳輸數據變得容易，并使其成為流行的通信協議。

SPI是一個簡單的4線串行通信接口，使控制器和外設之間能夠相互通信。在SPI中，數據每個時鐘周期1 bit速率輸入/輸出，數據在主設備和一個或多個從設備之間短距離、高速傳輸。它基于一個8位移位寄存器將數據移出到一個輸出引腳，并從另一個輸入引腳將數據移入。

SPI的另一個特性是，它沒有傳輸總線所有權的概念，即改變主節點，也沒有從節點地址。SPI是一種更簡單的協議，因此工作頻率可以高于10MHz（比TWI的頻率高）。

SPI得到廣泛使用的一些特性是：

全雙工通信；

吞吐量高于TWI；

傳輸時不限于8位字；

簡單的硬件接口；

可隨意選擇消息大小、內容和目的；

通常符合低功耗要求；

從機使用主機產生的時鐘，不需要精確的振蕩器；

由于電路較少，功耗要求比TWI低。

然而，將TWI串行接口與SPI進行比較是不公平的。它們有各自的應用領域，這取決于系統的需求。

TWI有如下特性：

IC封裝上的引腳數比SPI少；

存在硬件流控制；

它有一個正式的標準，不像SPI；

它在通信之前給出從機地址。

為什么SPI在PCB下應用最多？

盡管SPI主要是為主機處理器和外設之間的通信而開發的，但是通過SPI連接兩個處理器也是可能的。SPI總線通常只用在PCB上；在PCB領域之外使用SPI有很多阻礙。

首先，SPI被設計用來在不同的IC芯片之間以非常高的速度傳輸數據；由于高速要求，總線的長度不能太長，否則會因為電抗增加而無法使用。

當然，在PCB外使用低速SPI是有可能的，但這不是很實際。外圍設備可以是實時時鐘、轉換器(如ADC和DAC)、內存模塊(如EEPROM和FLASH)、傳感器(如溫度傳感器和壓力傳感器)或其他設備(如信號混頻器、電位器、LCD控制器、UART、can控制器、USB控制器和放大器)。

SPI協議

SPI協議包括以下4條信號線：

MOSI (Master Out Slave In)

MOSI信號由Master產生，接收端是Slave；

MISO(Master In Slave Out)

Slave產生MISO信號，接收方為Master；

SCLK/SCK

SCLK由master產生，用于在master和slave之間同步數據傳輸；

SS/CS

SS信號由master產生，用于選擇單個slave。

有時串行數據輸入[SDI]被用于MOSI，串行數據輸出[SDO]用于MISO。

一個主控制器可以與多個SPI外設通信，一般有兩種設置方法：

級聯slave配置；

并行slave配置。

級聯slave配置

級聯slave是將所有的時鐘線(SCLK)和片選(CS)連接在一起。數據通過微控制器傳輸到每個外設，最后再返回到微控制器。前一個slave的數據輸出連接到下一個slave的數據輸入，從而形成一個更寬的移位寄存器。因此，級聯slave被視為一個更大的設備，他們連接相同的芯片選擇信號。

這意味著，master只需要產生一條SS線，而不用為每個slave都產生一條單獨的SS線。

并行slave配置

這是典型的SPI總線配置，包含一個master和多個slave。在這個獨立或并行的從屬配置中：

所有時鐘線(SCLK)都連接在一起；

所有MISO數據線都連接在一起；

所有MOSI數據線都連接在一起。

SPI通信

SPI通信一直是由master發起的。首先master產生時鐘，時鐘頻率小于或等于slave支持的最大頻率；隨后master通過產生時鐘信號(SCLK)來控制數據傳輸，并通過將特定slave的芯片選擇(SS)線拉低來進行通信。總線上的slave如果沒有被master選中，將會忽略來自主機的輸入時鐘和MOSI信號，并且絕對不能驅動MISO；這意味著master每次只選擇一個slave。

四個引腳的使用取決于設備。例如，某些設備不需要輸入(例如ADC)， SDI引腳可能不存在，或者有些設備不需要輸出(例如LCD控制器)，SDO引腳可能不存在。如果一個微控制器只需要與1個SPI外設通信，那么該slave上的CS引腳可以接地（CS低電平有效）。對于多個從設備，每個從設備都需要一個獨立的CS信號。

SPI中三態輸出的意義是什么?

在數字電子學中，三態邏輯允許輸出端口除了0和1邏輯電平外，還采用高阻抗狀態。這允許多個電路共享一個輸出線，大多數外設都有三態輸出，當設備未被選中時，輸出會進入高阻抗狀態(斷開)。沒有三態輸出的設備不能與其他設備共享SPI總線。

SPI設備有時使用另一條信號線向主機CPU發送中斷信號。使用中斷信號例子有溫度傳感器的溫度警報，實時時鐘芯片發出的警報，以及手機聲音編解碼器監測到的耳機插孔插入等。

時鐘極性和相位

另一對參數稱為時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)決定了數據驅動和采樣的時鐘信號的邊緣。除了設置時鐘頻率，master還必須配置時鐘極性(CPOL)和相位(CPHA)。由于時鐘作為數據通信的同步，在這個CPOL和CPHA的基礎上，有四種可能的模式可以在SPI協議中使用。

SPI應用

全雙工能力使得SPI對于主/從應用場景下十分高效，通過全雙工模式可以為數字音頻、數字信號處理等應用實現高效、快速的數據流。

SPI用于與各種外設通信，例如：

傳感器

溫度，壓力，ADC，觸摸屏，視頻游戲控制器；

控制設備

音頻編解碼、數字電位器、DAC；

相機鏡頭

佳能EF鏡頭支架；

通訊

以太網，USB, USART,CAN手持視頻游戲；

存儲器

Flash和EEPROM；

實時時鐘；

LCD，有時甚至用于管理圖像數據；

任何MMC或SD卡(包括SDIO變體)；

對于高性能系統，FPGA有時使用SPI作為主機的從機接口，使用SPI作為傳感器的主機接口，或者用于flash memory的導入接口。