SPI总线综述
SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口。SPI是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，是一种标准的四线同步双向串行总线，因其硬件功能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。SPI可以使微控制器（MCU）与各种外围设备（包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和微控制器等）以串行方式进行通信以交换信息。SPI总线使用同步协议传送数据，接收或发送数据时由主机产生的时钟信号控制。SPI接口可以连接多个SPI芯片或装置，主机通过选择它们的片选来分时访问不同的芯片
1 基本原理
SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，设备之间有4线模式（双向传输时）或3线模式（单向传输时）。在4线模式下，它们是 SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）；在3线模式下，SDI 和 SDO并为一根，定义为SIO。
（1）MOSI–SPI 总线主机输出/从机输入（SPI Bus Master Output/Slave Input）
（2）MISO–SPI 总线主机输入/从机输出（SPI Bus Master Input/Slave Output)
（3）SCLK–时钟信号，由主设备产生
（4）CS–从设备使能信号，由主设备控制
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI、SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。
SPI 总线系统有以下几种形式：1个主机和多个从机、多个从机相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主机与1个或几个I/O设备构成的系统等SPI总线信号线基本连接关系，如下图
SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。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接口时序如图3、图4所示。
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。
假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
那么第一个上升沿来的时候数据将会是SDO=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，SDI上的电平将所存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010SDI，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个SPI时序。
例子：
假设主机和从机初始化就绪：并且主机的SBUFF=0xaa，从机的SBUFF=0x55，下面将分步对SPI的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据
下表示下降沿，SDI、SDO相对于主机而言的。其中SS引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。
要注意的是，SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义。
在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号。
2 主要特性
?全双工通信，可以同时发出和接收串行数据
? 1.05Mbit/s的最大主机位速率
?四种可编程主机位速率
?可编程串行时钟极性与相位
?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
3 应用范围
SPI主要应用在高速数据传输的外设上，例如 SD卡，FLASH芯片等。在集成电路飞速发展的近几年SPI总线应用非常广泛，大量的新型器件如LCD模块、FLASH、EEPROM存储器、数据输入、输出设备、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器等都有采用SPI接口。在早期的单片机系统中，CPU大都不具有SPI接口，因此，对SPI接口设备的访问，基本都是通过软件模拟产生SPI接口所需要的时序。但是随着单片机技术的进步，新型的单片机一般都已将
SPI接口控制器集成在单片机内部。SPI在单片机上的应用是其应用范围上的一大转折点，进一步拓宽了其应用领域，使得SPI的优势能在更多的领域体现。
4 应用实例
1)MCP42X2双SPI 数字电位器
SPI 模块支持两种（共4 种）标准SPI 模式。它们是模式0 和3。SCK的上升沿数据采样。CS的无效状态Vih，低有效状态Vil和高有效状态Vihh。Vil 就是低电平，Vih就是MCP42X2的供电电压，Vihh需要一个MCP42X2的供电的倍压。当与MCP42X2通讯时，CS只需要给出一个有效电平（低电平或倍电压）就可以。
SPI0时序图
命令格式
命令字节具有3 个字段，即地址、命令和2 个数据位。当前仅定义了一个数据位（D8）。它用于写命令。当主器件发送正确的命令字节选择所需的操作时，会访问器件存储器。被访问的存储器单元包含在命令字节的AD3:AD0位中。所期望的操作包含在命令字节的C1:C0位中。C1:C0 决定所期望的存储器单元是被读取、写入、递增（抽头设置 + 1）还是递减（抽头设置 - 1）。递增和递减命令仅对于易失性抽头寄存器有效。当命令字节装入器件（在SDI 引脚上）时，器件的SDO引脚被驱动。对于该命令的前6 位，SDO 引脚将输出高位。在第7 位，SDO 引脚将输出CMDERR 位状态。第8 位的状态取决于所选择的命令
C1C0 功能位数
11 读数据16
00 写数据16
01 递增8
10 递减8
存储器映射和受支持的命令
只有SPI 发送具有正确的SCK 脉冲数时，才会执行SPI发送。只有接收到全部数量的时钟之后，命令才会被执行。如果CS 引脚被强制为无效状态（VIH），串行接口会复位。不完整的命令不会被执行。
器件支持连续执行命令的功能。当CS 引脚处于有效状态（VIL 或VIHH）时，可以接收任意的有效命令序列
2)基于LPC2103的SPI总线技术的应用
本文给出了一种基于SPI总线的LPC2103控制外围LED显示的设计方法。利用74HC595驱动静态共阳LED数码管，使用串转并的方式实现I/ O口的扩展。
1 LPC2103中的SPI功能特性
LPC2103是一个基于支持实时仿真的16/32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器，内部具有2个完全独立的SPI控制器，采用全双工的数据通信方式，最大数据位速率为外设时钟Fpclk的l/8。与SPI总线接口有关的专用寄存器有：(1)SPCR控制寄存器。该寄存器包含一些可编程位来控制SPI总线的功能，而且在数据传输之前进行设定，主要有时钟相位控制、时钟极性控制、主从模式选择、字节传输移动方向及SPI中断使能；(2)SPSR状态寄存器(为只读寄存器)。用于监视SPI功能模块的状态，包括一般性功能和异常情况。主要用途是检测数据传输是否完成，通过判断SPIF位来实现，其他位用于指示异常情况；(3)SPDR数据寄存器。为SPI提供数据的发送和接收，处于主模式时，向该寄存器写入数据，将启动SPI数据传输。串行数据的发送和接收通过内部移位寄存器来实现；(4)SPCCR时钟计数器寄存器。用于设置SPI时钟分频值，SPI处于主模式时，该寄存器用于控制时钟速率，即SPI总线速率，寄存器值为l位SCK时钟所占用的PCLK周期数，并且值为偶数，必须不小于8；(5)SPINT 中断标志寄存器。包含了SPI的中断标志位，由数据传输完成及发生模式错误
1.1 SPI电气连接
利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统，如l个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统(分布式系统)、1个主MCU和1个或几个从I/O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合，可使用1个MCU作为主机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。同一时刻只允许有1个主机操作总线。在数据传输过程中。总线上只能有1个主机和1个从机通信。在一次数据传输中，主机总是向从机发送1个字节数据，而从机也总是向主机发送1个字节数据。图l为SPI在主模式下控制2个SPI从机的硬件连接图。
1.2 SPI数据传输
在SPI数据传输中，SPCR控制寄存器的CPHA和CPOL位作用非常关键。CPHA 为时钟相位控制，该位决定SPI传输时数据和时钟的关系，并控制从机传输的起始和结束，该位为1，时钟前沿数据输出，后沿数据采样；为0，时钟前沿数据采样，后沿数据输出。CPOL为时钟极性控制。为l时，SCK为低电平有效；为0时。SCK努高电平有效。
图2为SPI的4种不同数据传输格式时序。描述的是8位数据传输。该时序图水平方向分成3部分：(1)描述SCK和SSEL信号；(2)描述CPHA为0时的MOSI 和MISO信号；(3)描述CPHA为l时的MOSI和MISO信号。SSEL信号为低电平，说明SPI工作在从模式。其中，MOSI和MISO信号中的bitl—bit8表示传输的第几位数据。
2 74HC595扩展I/O接口电路
SPI是一个串行输入输出的接口，使用串转并的接口芯片可以实现扩展I/0口。74HC595芯片为一种常用的8位串转并移位寄存器芯片。本系统利用74HC595来驱动静态共阳LED数码管。74HC595的主要优点：具有数据存储寄存器。在移位过程中。输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。LPC2103I作在SPI主模式下。
图3为74HC595逻辑图。图中，SI为串行数据输入引脚，用来连接LPC2103的MOSI功能引脚；SCK为移位寄存器的时钟输入，连接LPC2103串行时钟线SC
K；为清移位寄存器引脚；RCK为锁寄存器锁存时钟引脚；即输出触发端与SSEL连接；为输出使能引脚；SQH为串行数据输出引脚，连接MISO；QA～QH
引脚为并行输出。当为高电平、使能接低时，SCK产生一个上升沿，SI
引脚当前电平值将在移位寄存器中左移l位，在下一个上升沿到来时移位寄存器中的所有位都会向左移l位，同时SQH引脚也会串行输出移位寄存器中的高位的值。当RCK产生上升沿时，移位寄存器的值将会被锁存到锁存器里，并从QA～Q H引脚输出。
图4为SPI接13与74HC595的连接原理图。其中QA～QH分别连接共阳LED 数码管的8个段。在SPI输出1个字节的数据时，SSEL产生1个低电平，SPI 主机串行地发该字节的各个位，各个位都依次被锁存在74HC595的移位寄存器内，当1个字节的数据传输完成后，SSEL由低电平变为高电平，从而使74HC59 5的移位寄存器的值被锁存到74Hc595的锁存器并从其QA～QH引脚输出；在SP I输出1个字节数据的同时，74HC595移位寄存器之前的值也通过MISO引脚被S PI主机读回。
3 软件设计
软件设计包括：进行IO口初始化，设置SPI引脚连接，启用LPC2103的SP I0总线，设置GPIO的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7为SPl 0总线的SCK0、MIS00、MOSIO、SSELO特殊功能，置74HC595片选端的I/O口为输出功能。其代码如下：PINSEL0=0x00005500；//股置SPI引脚连接
PINSELl=Ox00000000；
IODIR=HC595_CS；//设置片选端I/O口为输出
3.1 SPI总线操作初始化
图5为SPI总线操作流程图。使用LPC2103的SPI总线主模式下实现对74H C595的数据传输，用来驱动外围LED数码管。设置SPI时钟。在SPI主模式下，SPCCR寄存器控制SCK的频率，SPI速率为Fpclk/SPCCR。通过SPCR控制寄存器设置时钟相位、时钟极性、主模式控制、字节移动方向及SPI中断使能等。代码实现如下：
Void MSpilni(void)
{
SPI_SPCCR=0x52； //设置SPI时钟分频
SPI_SPCR=(0<<3)｜ // CPHA=0，数据再从SCK的第一时钟沿采样
(1<<4)｜ //CPOL=1，SCK为低有效
(1<<5)｜ //STR=1，SPI处于主模式
（0<<6)｜ // LSBF=0，SPI数据传输MSB(位71)在先
（0<<7)； //SPIE=0，SPI中断被禁止
}
3.2 SPI总线主模式下数据发送过程
首先选择从机。设置片选。选择74HC595为从机，置片选端SSEL为低有效。将发送的数据写入SPDR。发送出去。等待SPIF置位，即数据发送完毕。最后可从SPDR读取收到的数据。以下为发送函数：
uint8 MSendData(uint8 data)
{ IOCLR=HC595_CS；//片选端，由LPC2103指定的I/O口置位
SPI_SPDR=data；
while(0==(SPI_SPSR&Ox80))； //等待SPIF置位，即等待数据发
//完毕
IOSET=HC595_CS； //片选置高无效，结束发送
return(SPI_SPDR)； //返回接收到的数据
}
3.3控制LED数码管主函数
主函数使用LPC2103的SPI接口输出给74HC595，用来
控制LED数码管显示。DISP_TAB[]为LED显示0一F字模的
16进制码表。MSendData()实现每一字节数据的发送。
#define HC595_CS Ox00000100 //P0.8口为74HC595的片选
uint8 const DISP_TAB[16I={0xC0，OxF9，0xA4，OxBO，0x99，0x92，Ox8 2，OxF8,0x80,0x90，0x88，0x83，0xC6,0xA l，0x86，Ox8E}；
int main(void)
{ uint8 rcv_data；
uint8 i；
PINSEL0=0x00005500；//设置SPI引脚连接
PINSELl=0x00000000；
IODIR=HC595_CS；//设置LPC2103片选I/O口为输出功能
MSpiIni()；//初始化SPI接口
while(1)
{ for(i=0；i<16；i++)
{rcv_data=MSendData(DISP_TAB[i])； //发送显示数据
DelayNS(50)； //延时
}
}
return（O)；
}
基于SPI总线的数据通信技术已经广泛应用在MCU与各种外围设备的串行通信中。如存储系统、A/D转换系统、网络控制器和多MCU构成的分布式系统。本文给出了74HC595芯片驱动LED数码管显示的电路，采用SPI总线技术实现对LED 显示的数据传输，方便快捷、准确性高、速度快。满足了复杂微控制系统对外围设备控制的要求。