串行外設(shè)接口 (SPI) 總線是一種運(yùn)行于全雙工模式下的同步串行數(shù)據(jù)鏈路。用于在單個(gè)主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)。SPI 總線實(shí)施簡單，僅使用四條數(shù)據(jù)信號線和控制信號線（請參見圖 1）。

　　圖 1 基本的 SPI 總線

　　盡管表 1 中的引腳名稱取自 MOTOROLA 公司的 SPI 標(biāo)準(zhǔn)，但特殊集成電路的 SPI 端口名稱通常與圖 1 中所標(biāo)示的名稱有所不同。

　　表 1 SPI 引腳名稱分配

　　SPI 數(shù)據(jù)速率通常介于 1 到 70 MHz 之間，字節(jié)長度范圍從 8 位和 12 位到這些數(shù)值的倍數(shù)位。

　　數(shù)據(jù)傳輸通常會包含一次數(shù)據(jù)交換。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從節(jié)點(diǎn)也會向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。為此，主節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部移位寄存器和從節(jié)點(diǎn)被設(shè)置成環(huán)形（請參見圖 2）。

　　圖 2 兩個(gè)移位寄存器形成一個(gè)內(nèi)部芯片環(huán)形緩沖器

　　在數(shù)據(jù)交換之前，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)使其內(nèi)部移位寄存器加載存儲器數(shù)據(jù)。產(chǎn)生時(shí)鐘信號時(shí)，主節(jié)點(diǎn)會通過 MOSI 線同步輸出其移位寄存器。同時(shí)，從節(jié)點(diǎn)在 SIMO 處從主節(jié)點(diǎn)讀取第一位，并將其存儲到存儲器中，然后通過 SOMI 輸出 MSB。主節(jié)點(diǎn)會在 MISO 處讀取從節(jié)點(diǎn)的第一位，并將其存儲到存儲器中以待稍后處理。整個(gè)過程將一直持續(xù)，直至交換完所有數(shù)據(jù)位，然后主節(jié)點(diǎn)使時(shí)鐘空閑并通過 /SS 禁用從節(jié)點(diǎn)。

　　除設(shè)置時(shí)鐘頻率之外，主節(jié)點(diǎn)還會配置相對于數(shù)據(jù)的時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。這兩個(gè)選項(xiàng)分別稱作 CPOL 和 CPHA，能夠允許時(shí)鐘信號實(shí)現(xiàn) 180 度相移且數(shù)據(jù)延遲半個(gè)時(shí)鐘周期。圖 3 顯示了相應(yīng)的時(shí)序圖。

　　圖 3 時(shí)鐘極性和相位的時(shí)序圖

　　CPOL = 0 時(shí)，時(shí)鐘在邏輯 0 處空閑：

　　*如果 CPHA = 0，數(shù)據(jù)會在 SCK 的上升沿上讀取，在下降沿上變化。

　　*如果 CPHA = 1，數(shù)據(jù)會在 SCK 的下降沿上讀取，在上升沿上變化。

　　CPOL = 1時(shí)，時(shí)鐘在邏輯高電平處空閑：

　　*如果 CPHA = 0，數(shù)據(jù)會在 SCK的下降沿上讀取，在上升沿上變化。

　　*如果 CPHA = 1，數(shù)據(jù)會在 SCK 的上升沿上讀取，在下降沿上變化。

　　在 SPI 中，主節(jié)點(diǎn)可以與單個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在使用單個(gè)從節(jié)點(diǎn)的情況下，從選擇信號可以關(guān)聯(lián)到從設(shè)備的本地接地電位以允許永久接入。對于使用多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，可能有兩種結(jié)構(gòu)：獨(dú)立和菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點(diǎn)（請參見圖 4）。

　　圖 4 主節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立從節(jié)點(diǎn)（左）以及菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點(diǎn)（右）進(jìn)行通信

　　從節(jié)點(diǎn)獨(dú)立尋址時(shí)，主節(jié)點(diǎn)必須提供多個(gè)從選擇信號。該結(jié)構(gòu)一般用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，其中的多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 都必須單獨(dú)接入。

　　菊花鏈?zhǔn)綇墓?jié)點(diǎn)需要主節(jié)點(diǎn)提供唯一的從選擇信號，因此該結(jié)構(gòu)要求同時(shí)啟用所有從節(jié)點(diǎn)，以確保菊花鏈內(nèi)通過所有移位寄存器的數(shù)據(jù)流不會中斷。典型的應(yīng)用為工業(yè)級 I/O 模塊中的級聯(lián)多通道輸入串行器和輸出驅(qū)動器。