SPI通信協議的基礎
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將微控制器連接到傳感器，顯示器或其他模塊時，您是否考慮過兩個設備如何相互通信？他們到底在說什麼？他們如何能夠相互理解？
電子設備之間的通信就像人類之間的通信。雙方都需要說同一種語言。在電子學中，這些語言稱為通信協議。幸運的是，在構建大多數DIY電子項目時，我們只需要了解一些通信協議。在本系列文章中，我們將討論三種最常見協議的基礎知識：串行外設接口（SPI），內部集成電路（I2C）和通用異步接收器/發送器（UART）驅動通信。
首先，我們將從一些關於電子通信的基本概念開始，然後詳細解釋SPI的工作原理。在下一篇文章中，我們將討論UART驅動的通信，在第三篇文章中，我們將深入探討I2C。
SPI，I2C和UART比USB，以太網，藍牙和WiFi等協議慢得多，但它們更簡單，使用的硬件和系統資源也更少。 SPI，I2C和UART非常適用於微控制器之間以及微控制器和傳感器之間的通信，在這些傳感器中不需要傳輸大量高速數據。
SERIAL VS. PARALLEL COMMUNICATION
串口VS.並行通信
電子設備通過物理連接在設備之間的導線發送數據位來相互通信。有點像一個字母中的字母，除了26個字母（英文字母表中），一個位是二進制的，只能是1或0.通過電壓的快速變化，位從一個設備傳輸到另一個設備。在工作電壓為5V的系統中，0位作為0 V的短脈衝通信，1位通過5 V的短脈衝通信。
數據位可以並行或串行形式傳輸。在並行通信中，數據位是同時發送的，每個都通過單獨的線路。下圖顯示了二進制（01000011）中字母“C”的並行傳輸：
在串行通信中，通過單線逐個發送這些位。下圖顯示了二進制（01000011）中字母“C”的串行傳輸：
INTRODUCTION TO SPI COMMUNICATION
SPI通信簡介
SPI是許多不同設備使用的通用通信協議。例如，SD卡模塊，RFID讀卡器模塊和2.4 GHz無線發送器/接收器都使用SPI與微控制器通信。
SPI的一個獨特優勢是可以不間斷地傳輸數據。可以連續流發送或接收任意數量的比特。使用I2C和UART，數據以數據包形式發送，限制為特定的位數。啟動和停止條件定義每個數據包的開始和結束，因此數據在傳輸過程中被中斷。
通過SPI通信的設備處於主從關係。主設備是控制設備（通常是微控制器），而從設備（通常是傳感器，顯示器或存儲器芯片）接收來自主設備的指令。最簡單的SPI配置是單主機，單從機系統，但是一個主機可以控制多個從機（下面將詳細介紹）。
MOSI (Master Output/Slave Input) – 主機將數據發送到從機的線路。
MISO (Master Input/Slave Output) – 從站將數據發送到主站的行。
SCLK (Clock) – 時鐘信號線。
SS/CS (Slave Select/Chip Select) – 主線路選擇哪個從機發送數據。
*實際上，從設備的數量受到系統負載電容的限制，這降低了主設備在電壓電平之間精確切換的能力。
HOW SPI WORKS
SPI如何工作
THE CLOCK
時脈
時鐘信號將來自主設備的數據位輸出與從設備的位採樣同步。在每個時鐘週期傳輸一位數據，因此數據傳輸的速度由時鐘信號的頻率決定。由於主設備配置並生成時鐘信號，因此SPI始終始終啟動SPI通信。
設備共享時鐘信號的任何通信協議稱為同步。 SPI是一種同步通信協議。還有一些不使用時鐘信號的異步方法。例如，在UART通信中，雙方都設置為預先配置的波特率，該波特率決定數據傳輸的速度和時間。
SPI中的時鐘信號可以使用時鐘極性和時鐘相位的屬性進行修改。這兩個屬性協同工作以定義何時輸出位以及何時對它們進行採樣。時鐘極性可由主機設置，以允許在時鐘週期的上升沿或下降沿輸出和採樣位。可以設置時鐘相位，以便在時鐘週期的第一個邊沿或第二個邊沿上進行輸出和採樣，無論是上升還是下降。
SLAVE SELECT
主設備可以通過將從設備的CS / SS線設置為低電壓電平來選擇要通話的從設備。在空閒，非傳輸狀態中，從選擇線保持在高電壓電平。主機上可能有多個CS / SS引腳，允許多個從機並聯連接。如果只有一個CS / SS引腳，則可以通過菊花鏈將多個從器件連接到主器件。
MULTIPLE SLAVES
SPI可以設置為使用單個主設備和單個從設備進行操作，並且可以通過由單個主設備控制的多個從設備進行設置。有兩種方法可以將多個從站連接到主站。如果主機有多個從機選擇引腳，則從機可以並聯連接，如下所示：
如果只有一個從選擇引腳可用，則從器件可以 daisy-chained ，如下所示：
MOSI AND MISO
主機通過MOSI線串行發送數據到從機。從器件接收MOSI引腳上的主器件發送的數據。從主設備發送到從設備的數據通常首先以最高有效位發送。
從機還可以通過串行的MISO線路將數據發送回主機。從從設備發送回主設備的數據通常首先以最低有效位發送。
STEPS OF SPI DATA TRANSMISSION
1. 主機輸出時鐘信號：
2. 主器件將SS / CS引腳切換到低電壓狀態，從而激活從器件：
3. 主設備沿MOSI線一次一位地向從設備發送數據。從機在接收到的位時讀取這些位：
4. 如果需要響應，則從器件沿著MISO線一次一位地向主器件返回數據。主機在接收到的位時讀取這些位：
SPI的優點和缺點
使用SPI有一些優點和缺點，如果在不同的通信協議之間進行選擇，您應該根據項目的要求知道何時使用SPI：
ADVANTAGES 好處
- 沒有啟動和停止位，因此數據可以連續流式傳輸而不會中斷
- 沒有復雜的從機尋址系統，如I2C
- 比I2C更高的數據傳輸速率（幾乎快兩倍）
- 單獨的MISO和MOSI線，因此可以同時發送和接收數據
DISADVANTAGES 劣勢
- 使用四根線（I2C和UART使用兩根）
- 無法確認數據已成功接收（I2C已執行此操作）
- 沒有形式的錯誤檢查，如UART中的奇偶校驗位
- 僅允許單個主人