0、本文要点思维导图

面向面试学习之SPI篇，本文从理论+代码+问答三个维度展开：牛鼻子问题罗列如下

1.SPI简介与使用的4根逻辑线（功能）

2.SPI数据通信流程：四步走，片选→时钟信号（四种工作模式）→主机收发数据→从机收发数据

3.SPI的工作模式（此问题其实是围绕SPI数据通信流程的第二步展开来的，做到心中有图）

1、简介

1.1 SPI简介

高速（≥10M/bps）＋全双工＋同步+一主多从+四根线

• MISO（ Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出；
• MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入；
• SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；
• CS/SS（Chip Select/Slave Select）：由主设备控制，拉低某从设备，开始工作

以下为一个标准的SPI连接方式：

• 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
• 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
• 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入

1.2 通信方式拓展

通信协议可以按照通信方式分为单工，半双工，全双工三种。
单工：发射端和接收端固定，有一条数据通路，通路上数据单向流动。
半双工：发射端和接收端可变，有一条数据通路，通路上数据双向流动。IIC
全双工：发射端和接收端，有两条数据通路，一条从TX到RX，另一条从RX到TX。SPI、uart

2、通信原理

SPI主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器是一种用于临时存储数据的内存单元，主打一个读写速度比内存快的多

SPI数据通信的流程可以分为以下四步走，看图说话：

主机进行片选→发送时钟信号（四种工作模式）→主机收发数据→从机收发数据

1、主设备发起信号，将CS/SS拉低，启动通信。

2、主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低），因为SPI有四种模式，后面会讲到），它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）。

3、主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓存区（Menory），缓存区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。

4、从机（Slave）也将自己的串行移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置）中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

例如，下图示例中简单模拟SPI通信流程，主机拉低NSS片选信号，启动通信，并且产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在MOSI线路一位一位发送数据0X53，在MISO线路一位一位接收数据0X46，如下图所示：

这里有一点需要着重说明一下：SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。若只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节（虚拟数据）；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。  

需要补充一个图，该图关键信息：高位先行、收发错位、 起始结束信号

3、通信详解

3.1 设备选择

当SPI主设备想读/写从设备时，它首先拉低从设备对应的SS线（SS是低电平有效）。接着开始发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到MOSI实现“写”，同时可对MISO采样而实现“读”。如下图所示：

3.2 设备时钟与工作模式

3.2.1 设备时钟

SPI时钟特点主要包括：时钟速率、时钟极性和时钟相位

时钟速率：

SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性：

时钟极性通常写为CKP或CPOL，CKP可以配置为1或0。这意味着你可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现；

• CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
• CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。

时钟相位：

时钟相位通常写为CKE或CPHA。时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

• CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
• CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

3.2.2 工作模式

SPI有4种不同的传输时序，取决于时钟极性CPOL和时钟相位CPHA的组合。

下面看看具体例子:

3.2.3 看图说话

实际芯片的Datasheet中，大部分是不会给出SPI时序图工作模式，此时需要根据时钟和数据读取方式判断工作模式。从CLK看支持Mode 0,空闲时低电平，第一个上升沿采样。

时序分析如下：

1. CS拉低，开始通信；
2. CLK引脚上出现脉冲，在脉冲的边沿上，I/O引脚开始脱离高阻态，最多占用一个时钟周期；
3. MOSI引脚发送指令0x0Bh，MISO引脚处于高阻态，占用八个时钟周期；
4. MOSI引脚按照大端序发送24位地址，先发送高字节，MISO引脚处于高阻态，共占用24个时钟周期；
5. MOSI和MISO均进入高阻态，等待八个时钟周期；
6. MOSI进入空闲，MISO上开始出现数据脉冲，在该芯片上，数据按照写入的顺序读出，读出N个字节，占用N*8个时钟周期；
7. CS拉高，MOSI/MOSI进入高阻态，CLK引脚回到空闲电平，通信结束。

补充：大端序和小端序

3.3 多从机模式

应该不是很重要：

SPI多从机配置模式

菊花链模式 

3.4 SPI优缺点

4、代码理解

此处附上一组软件模拟SPI 通信传输数据的代码，方便各位理解其实现的方法。

首先主机和从机都选择同一传输模式。然后主机片选拉低，选中从机。接着在时钟的驱动下， MOSI发送数据，同时MISO读取接收数据。最后完成传输，取消片选。

 /*
* 函数名： void SPI_WriteByte(uint8_t data)
* 输入参数： data -> 要写的数据
* 输出参数：无  
* 返回值：无
* 函数作用：模拟 SPI 写一个字节
*/ SPI写1 Byte，循环8次，每次发送1 Bit；
void SPI_WriteByte(uint8_t data)  {
    uint8_t i = 0;  
    uint8_t temp = 0;  
    for(i=0; i<8; i++) {
        temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0;  //将data最高位保存到temp；
        data = data<<1;                   //data左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；
        SPI_CLK(0); //CPOL=0              //拉低时钟，即空闲时钟为低电平， CPOL=0；
        SPI_MOSI(temp);                   //根据temp值，设置MOSI引脚的电平；
        SPI_Delay();                      //简单延时，可以定时器或延时函数实现
        SPI_CLK(1); //CPHA=0  //拉高时钟， W25Q64只支持SPI模式0或1，即会在时钟上升沿采样MOSI数据；
        SPI_Delay();  
     }
     SPI_CLK(0);                          //最后SPI发送完后，拉低时钟，进入空闲状态；
}
 
/*
* 函数名： uint8_t SPI_ReadByte(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：读到的数据
* 函数作用：模拟 SPI 读一个字节
*/  SPI读1 Byte，循环8次，每次接收1 Bit；  
uint8_t SPI_ReadByte(void) {
    uint8_t i = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;
    for(i=0; i<8; i++) {
        read_data = read_data << 1;  //“腾空” read_data最低位，8次循环后，read_data将高位在前；  
        SPI_CLK(0);                  //拉低时钟，即空闲时钟为低电平；  
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1) { 
           read_data = read_data + 1;
        }
    }
    SPI_CLK(0);   //最后SPI读取完后，拉低时钟，进入空闲状态  
    return read_data;
}  

前面提到SPI传输可以看作一个虚拟的环形拓扑结构，即输入和输出同时进行。在前面“ SPI_WriteByte()”函数里，发送了1 Byte，也应该接收1 Byte，只是代码中忽略了接收引脚MISO的状态； 在前面“ SPI_ReadByte()”函数里，接收了1 Byte，也应该发送1 Byte，只是代码中忽略了发送引脚MOSI的内容。有些场景， SPI需要同时读写，因此还需要编写SPI同时读写函数。

/*
* 函数名： uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data)
* 输入参数： data -> 要写的一个字节数据
* 输出参数：无
* 返回值：读到的数据
* 函数作用：模拟 SPI 读写一个字节
*/SPI读和写1 Byte，循环8次，每次发送和接收1 Bit；  
uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data) {
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;
    for(i=0;i<8;i++) {
        temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0; //将data最高位保存到temp；  
        data = data<<1;                  //data左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；  
        read_data = read_data<<1;        //“腾空” read_data最低位，8次循环后，read_data将高位在前；  
        SPI_CLK(0);
        SPI_MOSI(temp);
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1) {             //读取MISO上的数据，保存到当前read_data最低位；  
            read_data = read_data + 1;
        }
    }
    SPI_CLK(0);
    return read_data;
}  

5、面试问答

1.什么是SPI？

高速（≥10M/bps）＋全双工＋同步+一主多从+四根线

2.SPI主从模式有哪些特点？

SPI分为主、从两种模式，提供时钟的为主设备，接收时钟的设备为从设备
SPI接口的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

3.SPI如何进行从设备选择

SPI是单主设备（ single-master ）通信协议，这意味着总线中的只有一支中心设备能发起通信。
当SPI主设备想读/写［从设备］时它首先拉低［从设备］对应的SS线（SS是低电平有效）
接着开始发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，［主设备］把信号发到MOSI实现“写”，同时可对MISO采样而实现“读”

4.SPI通信的四种模式

时钟极性+时钟相位，各种能设置成0和1，组合起来就是4种模式

具体内容根据上面的图片辅助记忆

5.对比一下IIC、UART、SPI、USB

6.spi通信中，两个设备都是主机模式，会出现什么情况

两个设备只有一个启动的话，读写数据都是错误没有用的，
两个设备都启动的话，无法建立通信

7.spi的最大传输速率受什么的影响

主设备的时钟频率
从设备的响应速度
cpu的处理spi数据的能力
输出端的驱动能力（pcb所允许最大信号传输速率）

8.spi输出引脚为什么采用推挽输出

9.主设备如何选择数据传输模式

根据从设备的数据传输模式，主设备要去匹配相应模式，主从匹配才能建立spi通信

参考链接

1.一文搞懂SPI通信协议_spi协议-CSDN博客

2.SPI通信说明_spi多从主机连接方式-CSDN博客

3.SPI硬件设计、协议、速率全解析_spi速率-CSDN博客​​​​​​

4.FPGA技术面试题_fpga面试-CSDN博客

5.一文吃透常见通讯协议（SPI、IIC、UART、CAN）[面试重点]_spi 波特率-CSDN博客