第10章 SPI串行总线

SPI总线组成及其工作原理SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信总线，常用于连接微控制器与外部设备，如传感器、存储器、外设等。

SPI总线由四条信号线组成，包括SCLK（串行时钟线），MOSI（主设备输出从设备输入线），MISO（主设备输入从设备输出线）和SS（片选信号线）。

以下将详细介绍SPI总线的工作原理和其组成部分。

SPI总线采用主从架构，由一个主设备（如微控制器）和一个或多个从设备（如传感器、存储器等）组成。

主设备通过SCLK产生时钟信号来驱动整个通信过程。

主设备通过MOSI线发送数据到从设备，从设备通过MISO线传输数据给主设备。

每个从设备都有一个片选信号线（SS），用于使能该从设备。

当主设备需要与一些从设备通信时，将对应的片选信号线拉低，使该从设备处于选中状态。

1.SCLK（串行时钟线）：SCLK是SPI通信中的时钟信号，由主设备通过该线产生并驱动。

SCLK信号的频率可以由主设备控制，通常可以在MHz级别。

SCLK的上升沿和下降沿都用于同步数据传输。

数据在SCLK的上升沿或下降沿的边沿进行读写操作。

2.MOSI（主设备输出从设备输入线）：MOSI是主设备输出从设备输入的数据线。

主设备通过MOSI将数据传输给从设备。

数据在每个SCLK周期的上升沿或下降沿被写入。

3.MISO（主设备输入从设备输出线）：MISO是主设备输入从设备输出的数据线。

从设备通过MISO将数据传输给主设备。

数据在每个SCLK周期的上升沿或下降沿被读取。

4.SS（片选信号线）：每个从设备都有一个对应的SS信号线。

当主设备需要与一些从设备通信时，将该从设备的SS信号线拉低，使该从设备处于选中状态。

当通信结束后，SS信号线会被拉高，表示该从设备不再被选中。

1.主设备通过控制SS信号线，选中一些从设备开始通信。

2.主设备通过SCLK产生时钟信号，并通过MOSI线发送数据给从设备。

3.从设备在SCLK的上升沿或下降沿将数据写入MISO线，传输给主设备。

SPI总线的特点、工作方式及常见错误解答1. SPI总线简介SPI（serial peripheral interface，串行外围设备接口）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。

它用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。

它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（CSK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOS I）、低电平有效从机选择线CS。

当SPI工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。

发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。

即完成一个字节数据传输的实质是两个器件寄存器内容的交换。

主SPI的时钟信号（SCK）使传输同步。

其典型系统框图如下图所示。

图1 典型系统框图2.SPI总线的主要特点· 全双工；· 可以当作主机或从机工作；· 提供频率可编程时钟；· 发送结束中断标志；式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式（实线表示）：· 写冲突保护；.总线竞争保护等。

3.SPI总线工作方式SPI总线有四种工作方图2 SPI0和SPI3方式（实线表示）四种工作方式时序分别为：图3 四种工作方式时序时序详解：CPOL：时钟极性选择，为0时SPI总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平CPHA：时钟相位选择，为0时在SCK第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样工作方式1：当CPHA=0、CPOL=0时SPI总线工作在方式1。

MISO引脚上的数据在第一个SPSCK沿跳变之前已经上线了，而为了保证正确传输，MOSI引脚的MSB位必须与SPSCK的第一个边沿同步，在SPI传输过程中，首先将数据上线，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（下降沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的8位信号传输结束。

SPII2CUART三种串行总线的原理区别及应用SPI（Serial Peripheral Interface），I2C（Inter-Integrated Circuit）和UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是常见的串行总线通信协议，它们在嵌入式系统中被广泛使用。

以下是对这三种串行总线的原理、区别及应用的详细介绍。

1. SPI（Serial Peripheral Interface）SPI是一种同步的、全双工的串行总线协议，通常由一个主设备和一个或多个从设备组成。

SPI总线上通信是基于时钟信号进行同步的，主设备产生时钟信号，从设备在时钟的边沿上发送和接收数据。

在SPI总线上，主设备控制通信的起始和结束，并通过片选信号选择与之通信的从设备。

SPI总线上的数据传输是基于多线制的，其中包括主设备的时钟线（SCLK）、数据输出线（MOSI）、数据输入线（MISO）和片选线（SS）。

SPI总线具有以下特点：-速度较快，可以达到十几MHz甚至上百MHz的传输速率。

-支持多主设备，但每个时刻只能有一个主设备处于活动状态。

-适用于短距离通信，通常在PCB上的芯片之间进行通信。

-数据传输可靠性较高。

SPI总线广泛应用于各种设备之间的数据传输，例如存储器、传感器、显示模块等。

2. I2C（Inter-Integrated Circuit）I2C也是一种同步的、双向的串行总线协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成。

I2C总线上的通信也是基于时钟信号进行同步的，主设备产生时钟信号和开始/停止条件，从设备在时钟边沿上发送和接收数据。

I2C总线上的数据传输是基于两根线—串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。

I2C总线具有以下特点：- 通信速度较慢，大多数设备的传输速率为100kbps，但也支持高达3.4Mbps的快速模式。

-支持多主设备，可以同时连接多个主设备。

SPI总线原理与应用篇《电子制作》2008年9月站长原创，如需引用请注明出处大家好，通过以前的学习，我们已经对51单片机综合学习系统的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了使用IIC总线的基本知识，体会到了综合学习系统的易用性与易学性，这一期我们将一起学习SPI总线的基本原理与应用实例。

先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI 总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。

主体系统如图1所示，其配套书本教程《单片机快速入门》如图2所示。

图1 51单片机综合学习系统主机部分图片图2 51单片机综合学习系统配套书本教程——《单片机快速入门》上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，如图1所示，本期实验我们用到了综合系统主机、板载的AT93C46芯片，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。

SPI总线简介SPI总线基本概念SPI ( Serial Peripheral Interface ———串行外设接口) 总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。

SPI总线系统是一种同步串行外设接口,允许MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。

外围设备包括FLASHRAM、A/ D 转换器、网络控制器、MCU 等。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

其工作模式有两种：主模式和从模式。

SPI是一种允许一个主设备启动一个从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。

也就是SPI是一种规定好的通讯方式。

这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4根就够基本通讯了（不算电源线）。

SPII2CUART三种串行总线协议及其区别SPI（Serial Peripheral Interface）是一种常见的串行总线协议，主要用于单片机和外部设备之间的通信。

SPI协议需要同时使用多个信号线，包括时钟信号、主从选择信号、数据输入信号和数据输出信号。

SPI协议是一种全双工的通信方式，数据可以双向传输。

SPI通信协议的特点包括以下几点：1.时钟信号：SPI协议中的设备之间使用了共享的时钟信号，时钟信号用于同步数据传输。

时钟信号由主设备控制，并且时钟频率可以根据需要调整。

SPI协议没有固定的时钟频率限制，可以根据实际需求进行调整。

2.主从选择信号：SPI协议中的从设备需要通过主从选择信号进行选择。

主设备通过拉低从设备的主从选择信号来选择与之通信的从设备。

可同时与多个从设备通信。

3.数据传输：SPI协议是一种由主设备控制的同步通信协议，数据在时钟的边沿上升移位。

主设备在时钟的上升沿将数据发送给从设备，从设备在时钟的下降沿将数据发送给主设备。

SPI协议的优势在于速度快、可靠性高，适合于需要高速传输的应用，如存储器、显示器驱动等。

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种常见的串行总线协议，主要用于集成电路之间的通信。

I2C协议仅需要两根信号线：序列时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）。

I2C协议是一种半双工通信方式，数据只能单向传输。

I2C通信协议的特点包括以下几点：1.序列时钟线（SCL）：SCL是在主设备和从设备之间共享的信号线，用于同步数据传输。

主设备通过拉高和拉低SCL来控制数据传输的时钟频率。

2.串行数据线（SDA）：SDA负责数据的传输。

数据在SCL的上升沿或下降沿变化时，主设备或从设备将数据写入或读取出来。

3.地址寻址：I2C协议使用7位或10位的地址寻址，从设备可以根据地址进行选择。

I2C协议的优势在于可以连接多个设备，节省了引脚，适用于多设备之间的通信，如传感器、温度传感器、压力传感器等。

spi总线工作原理
SPI（Serial Peripheral Interface）总线是一种同步串行通信协议，它主要用于在微控制器或其他数字集成电路之间传输数据。

SPI总线由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成。

主设备通过与从设备之间发送和接收数据的方式来与其进行通信。

SPI总线的工作原理如下：
1. 首先，主设备选择要与之通信的从设备。

这是通过在片选引脚上拉低电平来实现的。

其他从设备的片选引脚应保持高电平。

2. 接着，主设备通过时钟引脚（SCK）生成时钟信号，此时数据传输开始。

3. 主设备通过主输出(MOSI)引脚发送数据，从设备通过主输
入(MISO)引脚接收数据。

在每个时钟周期中，主设备和从设
备在SCK上的上升沿或下降沿进行数据交换。

4. 数据传输时，主设备先发送一个起始位（通常是高电平）并将其传输到从设备。

5. 接下来，主设备和从设备同时发送并接收数据，每一个时钟周期传输一个位。

数据传输的顺序是从最高位（MSB）到最
低位（LSB）。

6. 当所有数据位都传输完毕后，主设备通过拉高片选引脚结束
与从设备的通信。

7. 在通信结束后，主设备可以选择与其他从设备进行通信，或者在下一个时钟周期中重新选择与之前的从设备进行通信。

SPI总线的工作原理简单而直观。

它具有高速、可简化电路设计等优点，因此在很多嵌入式系统中得到了广泛应用。

SPI总线的工作方式及原理详解SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI是一个环形总线结构，由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信：一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO；用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。

SPI主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。

SPI总线有四种工作方式(SP0，SP1，SP2，SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。

SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。

如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。

时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。

如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。

SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。

SPI时序详解---SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻SPI接口有四种不同的数据传输时序，取决于CPOL和CPHL这两位的组合。

图1中表现了这四种时序，时序与CPOL、CPHL的关系也可以从图中看出。

图1CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL＝0，空闲电平为低电平，CPOL＝1时，空闲电平为高电平。

简单描述：SPI 和I2C这两种通信方式都是短距离的，芯片和芯片之间或者其他元器件如传感器和芯片之间的通信。

SPI和IIC是板上通信,IIC有时也会做板间通信,不过距离甚短,不过超过一米,例如一些触摸屏,手机液晶屏那些很薄膜排线很多用IIC,I2C能用于替代标准的并行总线，能连接的各种集成电路和功能模块。

I2C 是多主控总线，所以任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线。

总线上每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备它们自己的能力，它们可以作为发射器或接收器工作。

多路微控制器能在同一个I2C总线上共存这两种线属于低速传输；而UART是应用于两个设备之间的通信，如用单片机做好的设备和计算机的通信。

这样的通信可以做长距离的。

UART和,UART就是我们指的串口,速度比上面三者快,最高达100K左右,用与计算机与设备或者计算机和计算之间通信,但有效范围不会很长,约10米左右,UART优点是支持面广,程序设计结构很简单,随着USB的发展,UART也逐渐走向下坡；SmBus有点类似于USB设备跟计算机那样的短距离通信。

简单的狭义的说SPI和I2C是做在电路板上的。

而UART和SMBUS是在机器外面连接两个机器的。

详细描述：1、UART(TX,RX)就是两线，一根发送一根接收，可以全双工通信，线数也比较少。

数据是异步传输的，对双方的时序要求比较严格，通信速度也不是很快。

在多机通信上面用的最多。

2、SPI(CLK,I/O,O,CS)接口和上面UART相比，多了一条同步时钟线，上面UART 的缺点也就是它的优点了，对通信双方的时序要求不严格不同设备之间可以很容易结合，而且通信速度非常快。

一般用在产品内部元件之间的高速数据通信上面，如大容量存储器等。

3、I2C(SCL,SDA)接口也是两线接口，它是两根线之间通过复杂的逻辑关系传输数据的，通信速度不高，程序写起来也比较复杂。

一般单片机系统里主要用来和24C02等小容易存储器连接。

SPI - Serial Peripheral Interface同步串行外设接口(S PI)是由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FRAM和显示驱动器之类的慢速外设器件通信。

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。

SPI 接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。

通讯时，数据由SDO 输出，SDI 输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO 输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI 读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。

总线协议该总线通信基于主-从(所有的串行的总线均是这样，USB，IIC，SPI等)配置，而且下面提到的方向性的操作合指代全部从主设备的角度说得。

它有以下4个信号：MOSI:主出/从入MISO:主入/从出SCK:串行时钟SS:从属选择；芯片上“从属选择”(slave-select)的引脚数决定了可连到总线上的器件数量。

在SPI传输中，数据是同步进行发送和接收的。

数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲(好像也可以是IO上的电平的模拟时钟)，摩托罗拉没有定义任何通用SPI的时钟规范。

然而，最常用的时钟设置基于时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数，CPOL 定义SPI串行时钟的活动状态，而CPHA定义相对于SO-数据位的时钟相位。

CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。

数据方向和通信速度SPI传输串行数据时首先传输最高位。

波特率可以高达5Mbps，具体速度大小取决于SPI硬件。

例如，Xicor公司的SPI串行器件传输速度能达到5MHz。

一、概述SPI：Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口。

是由摩托罗拉在20世纪80年代中期开发的同步串行总线接口规范（带有时钟信号，通过时钟极性和时钟相位来控制采样，即同步传输）。

1、支持半双工、全双工通信模式。

2、没有流控制和应答机制来确认是否接收到数据（UART有校验或流控制）。

3、没有一个固定的传输速率规定，已有器件SPI输出速率达到50Mbps以上（I2C有明确规定速率）。

4、只能板内的短距离传输（RS232、RS485输出距离远）。

5、没有限制传输bit数量，常用的是8bit或9bit。

6、不需要硬件地址（I2C要地址），采用片选。

7、主从模式，一托多。

二、3线和4线模式3线SPI和4线SPI各个模式下信号定义：3线9bit I型接口信号：SCL、CS、SDA3线9bit II型接口信号：SCL、CS、SDO、SDI4线8bit I型接口信号：SCL、CS、DCX、SDA4线8bit II型接口信号：SCL、CS、DCX、SDO、SDI3线9bit2data Lane接口信号：SCL、CS、D0、D1对于3线或4线来区分，并不是信号线的数量，也不是网上说的半双工和全双工，或者数据线数量差异。

3线说的是时钟、片选、数据信号（不管是一根数据线，还是两根数据线），共三种信号。

4线说的是时钟、片选、数据信号、数据或命令控制线（确定发送的是数据还是命令），共4中信号。

三、SPI四种工作模式通过CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的搭配来得到四种工作模式：CPOL时钟极性定义的是SCLK时钟线空闲状态时的电平CPOL=0，即SCLK=0，表示SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为低电平，因此有效状态为高电平。

CPOL=1，即SCLK=1，表示SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为高电平，因此有效状态为低电平。

CPHA时钟相位定义的是数据位相对于时钟线的时序（即相位）CPHA=0，即表示输出（out）端在上一个时钟周期的后沿改变数据，而输入（in）端在时钟周期的前沿（或不久之后）捕获数据。

第10章思考题及习题10参考答案一、填空1．单总线系统只有一条数据输入/输出线，总线上的所有器件都挂在该线上，电源也通过这条信号线供给，。

答：DQ2．单总线系统中配置的各种器件，由DALLAS公司提供的专用芯片实现。

每个芯片都有位ROM，用激光烧写编码，其中存有位十进制编码序列号，它是器件的编号，确保它挂在总线上后，可唯一地被确定。

答：64，16，地址3．DS18B20是温度传感器，温度测量范围为℃，在-10～+85℃范围内，测量精度可达℃。

DS18B20体积小、功耗低，非常适合于的现场温度测量，也可用于各种空间内设备的测温。

答：数字，−55～+128，±0.5，恶劣环境，狭小4．SPI接口是一种串行接口，允许单片机与的带有标准SPI接口的外围器件直接连接。

答：同步，外设,多厂家5．SPI具有较高的数据传输速度，最高可达 Mbit/s。

答：1.056．I2C的英文缩写为，是应用广泛的总线。

答：Inter Interface Circuit，芯片间串行扩展7．I2C串行总线只有两条信号线，一条是 SDA，另一条是 SCL。

答：数据线，时钟线8．I2C总线上扩展的器件数量不是由负载决定的，而是由负载确定的。

答：电流，电容9．标准的I2C普通模式下，数据的传输速率为 bit/s，高速模式下可达 bit/s。

答：100k，400k二、判断对错1. 单总线系统中的各器件不需要单独的电源供电，电能是由器件内的大电容提供。

对2. DS18B20可将温度转化成模拟信号，再经信号放大、A/D转换，再由单片机进行处理。

错3. DS18B20的对温度的转换时间与分辨率有关。

对4. SPI串行口每发送、接收一位数据都伴随有一个同步时钟脉冲来控制。

对5. 单片机通过SPI串行口扩展单个SPI器件时，外围器件的片选端CS一定要通过I/O口控制。

错6. SPI串行口在扩展多个SPI器件时，单片机应分别通过I/O口线来控制各器件的片选端CS来分时选通外围器件。

第十章复习思考题答案1. 与并行扩展方法相比，串行总线扩展方法有哪些优点？与并行扩展方法相比，串行总线扩展传输连线少，可以使应用系统的硬件设计简化；串行总线的故障自诊断和调试也更为简单。

2. 在I2C总线中，主机和从机是如何确定的？它们在总线工作时起什么作用？I2C总线是一个多主机总线，即总线上可以有一个或多个主机（或称主控制器件），总线运行由主机控制。

主机是指启动数据的传送（发启动状态）、发出时钟信号、发出终止信号的器件。

通常，主机由单片机或其它微处理器担任。

被主机访问的器件叫从机，它可以是其它单片机或外围芯片，如：A/D、D/A、LED或LCD驱动、串行存储器芯片。

3. 在I2C总线主从系统中，S状态和P状态是由哪一方发出的？它们的作用是什么？S状态和状态P是由主机发出的。

在总线上出现S状态后，标志着总线处于“忙”状态。

如果总线上出现P状态时，在该状态出现一段时间后，总线处于“闲”状态。

4. 简述I2C总线的数据传输过程。

传输到SDA上的数据必须为8位。

每次传输的字节数不受限制。

每个字节后必须跟1个应答（Acknowledge，ACK）位。

数据传输时，首先传送最高位，如果从机暂时不能接收下一个字节数据，例如从机响应内部中断，那么可以使SCL保持为低电平，迫使主机处于等待状态；当从机准备就绪后，再释放SCL，使数据传输继续进行。

图10-1中，ACK为应答时钟，S表示启动状态，Sr表示重新启动状态，P表示停止状态。

图10-1 I2C总线的数据传输5. 简述I2C总线的从机地址的格式，在工作过程中器件如何识别对它的读写操作的？每个连接在I2C总线的器件都具有唯一确定的地址。

在任何时刻，I2C总线上只能有一个主机对总线实行控制权，分时地实现点对点的数据传送。

器件的地址由7位组成，它与1R/）构成了I2C总线数据传输时启动状态S之后第1个字节。

位方向位（W当主机发送了第1个字节后，系统中的每个从机（器件）都在S状态之后把高7位与本机的地址比较，如果与本机地址一样，则该从机被主机选中，是接收数据还是发送数据由R/确定。