SPI接口的全稱是"Serial Peripheral Interface",意為串行外圍接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM, FLASH,實時時鐘,AD轉(zhuǎn)換器,還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。
SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸,在主器件的移位脈衝下,數(shù)據(jù)按位傳輸,高位在前,地位在後,為全雙工通信,數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快,速度可達(dá)到幾Mbps。
SPI接口是以主從方式工作的,這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件,其接口包括以下四種信號：
（1）MOSI – 主器件數(shù)據(jù)輸出,從器件數(shù)據(jù)輸入
（2）MISO – 主器件數(shù)據(jù)輸入,從器件數(shù)據(jù)輸出
（3）SCLK – 時鐘信號,由主器件產(chǎn)生
（4）/SS – 從器件使能信號,由主器件控制
在點對點的通信中,SPI接口不需要進行尋址操作,且為全雙工通信,顯得簡單高效。
在多個從器件的系統(tǒng)中,每個從器件需要獨立的使能信號,硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微複雜一些。
SPI接口在內(nèi)部硬件實際上是兩個簡單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位,在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號和移位脈衝下,按位傳輸,高位在前,低位在後。如下圖所示,在SCLK的下降沿上數(shù)據(jù)改變,同時一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。
最後,SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制,沒有應(yīng)答機制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口）是由Motorola公司開發(fā)，用來在微控制器和外圍設(shè)備芯片之間提供一個低成本、易使用的接口（SPI有時候也被稱為4線接口）。這種接口可以用來連接存儲器（存儲數(shù)據(jù)）、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、實時時鐘日曆、LCD驅(qū)動器、傳感器、音頻芯片，甚至其他處理器。支持SPI的元件很多，並且還一直在增加。
與標(biāo)準(zhǔn)的串行接口（將在第10章講到）不同，SPI是一個同步協(xié)議接口，所有的傳輸都參照一個共同的時鐘，這個同步時鐘信號由主機（處理器）產(chǎn)生，接收數(shù)據(jù)的外設(shè)（從設(shè)備）使用時鐘來對串行比特流的接收進行同步化。可能會有許多芯片連到主機的同一個SPI接口上，這時主機通過觸發(fā)從設(shè)備的片選輸入引腳來選擇接收數(shù)據(jù)的從設(shè)備，沒有被選中的外設(shè)將不會參與SPI傳輸。
SPI主要使用4個信號：主機輸出/從機輸入（MOSI）、主機輸入/主機輸出（MISO）、串行SCLK或SCK和外設(shè)芯片（CS）。有些處理器有SPI接口專用的芯片選擇，稱為從機選擇（SS）。
MOSI信號由主機產(chǎn)生，從機接收。在有些芯片上，MOSI只被簡單的標(biāo)為串行輸入（SI），或者串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）。MISO信號由從機產(chǎn)生，不過還是在主機的控制下產(chǎn)生的。在一些芯片上，MISO有時被稱為串行輸出（SO）或串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）。外設(shè)片選信號通常只是由主機的備用I/O引腳產(chǎn)生的。下左圖是微處理器通過SPI和外設(shè)進行連接的示意圖。
主機和外設(shè)都包含一個串行移位寄存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器是通過MOSI信號線將字節(jié)傳送給外設(shè)，外設(shè)也將自己移位寄存器中的內(nèi)容通過MISO信號線返回給主機，如上右圖所示。這樣，兩個移位寄存器中的內(nèi)容就被交換了。外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的，因此SPI成為一個很有效的協(xié)議。
如果只是進行寫操作，主機只需忽略收到的字節(jié)；反過來，如果主機要讀取外設(shè)的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。
當(dāng)主機發(fā)送一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流時，有些外設(shè)能夠進行多字節(jié)傳輸。許多擁有SPI接口的存儲器芯片都以這種方式工作。在這種傳輸方式下，SPI外設(shè)的芯片選擇端必須在整個傳輸過程中保持低電平。比如，存儲器芯片會希望在一個“寫”命令之後緊接著收到的是4個地址字節(jié)（起始地址），這樣後面接收到的數(shù)據(jù)就可以存儲到該地址。一次傳輸可能會涉及千字節(jié)的移位或更多的信息。
其他外設(shè)只需要一個單字節(jié)（比如一個發(fā)給A/D轉(zhuǎn)換器的命令），有些甚至還支持菊花鏈連接，如下圖所示。
在這個例子中，主機處理器從其SPI接口發(fā)送3個字節(jié)的數(shù)據(jù)。第1個字節(jié)發(fā)送給外設(shè)A，當(dāng)?shù)?個字節(jié)發(fā)送給外設(shè)A的時候，第1個字節(jié)已移出了A，而傳送給了B。同樣，主機想要從外設(shè)A讀取一個結(jié)果，它必須再發(fā)送一個3字節(jié)（空字節(jié)）的序列，這樣就可以把A中的數(shù)據(jù)移到B中，然後再移到C中，最後送回主機。在這個過程中，主機還依次從B和C接收到字節(jié)。
注意，菊花鏈連接不一定適用於所有的SPI設(shè)備，特別是要求多字節(jié)傳輸?shù)模ū热绱鎯ζ餍酒┰O(shè)備。另外，要對外設(shè)芯片的數(shù)據(jù)表進行仔細(xì)分析，確定能對它做什麼而不能做什麼。如果芯片的數(shù)據(jù)表中沒有明確提到菊花鏈連接，那麼該芯片不支持這種連接的幾率為50%。
根據(jù)時鐘極性和時鐘相位的不同，SPI有4個工作模式。時鐘極性有高、低兩極：時鐘極性為低電平時，空閑時時鐘（SCK）處於低電平，傳輸時跳轉(zhuǎn)到高電平；時鐘極性為高電平時，空閑時時鐘處於高電平，傳輸時跳轉(zhuǎn)到低電平。
時鐘相位有兩個：時鐘相位0和時鐘相位1。對於時鐘相位0，如果時鐘極性是低電平，MOSI和MISO輸出在（SCK）的上升沿有效。如果時鐘電平極性為高，對於時鐘相位0，這些輸出在SCK的下降沿有效。MISO輸出的第X位是一個未定義的附加位，是SPI接口特有的情況。用戶不必?fù)?dān)心這個位，因為SPI接口將忽略該位。