先說串口
之前寫過一篇UART，通用串行異步通訊協議，感興趣可以參考一下《 我打賭！你還不會UART 》； 因為UART沒有時鐘信號，無法控制何時發送數據，也無法保證雙發按照完全相同的速度接收數據。因此，雙方以不同的速度進行數據接收和發送，就會出現問題。
如果要解決這個問題，UART為每個字節添加額外的 起始位和 停止位，以幫助接收器在數據到達時進行同步；
雙方還必須事先就 傳輸速度達成共識（設置相同的波特率，例如每秒9600位）。
傳輸速率如果有微小差異不是問題，因為接收器會在每個字節的開頭重新同步。相應的協議如下圖所示；
串口傳輸的過程
異步串行工作得很好，但是在每個字節發送的時候都需要額外的 起始位和 停止位以及在發送和接收數據所需的復雜硬件方面都有很多開銷。
不難發現，如果接收端和發送端設置的速度都不一致，那么接收到的數據將是 垃圾（亂碼）。
下面開始講一下SPI協議，會有哪些優點。
SPI通訊協議
于是我們想有沒有更好一點的串行通訊方式；相比較于 UART ， SPI 的工作方式略有不同。
SPI 是一個同步的數據總線，也就是說它是用 單獨的數據線和 一個單獨的時鐘信號來保證 發送端和接收端的完美同步。
時鐘是一個振蕩信號，它告訴接收端在確切的時機對數據線上的信號進行采樣。
產生時鐘的一側稱為 主機，另一側稱為 從機。總是 只有一個主機（一般來說可以是 微控制器/MCU），但是可以有多個 從機（后面詳細介紹）；
數據的采集時機可能是 時鐘信號的 上升沿（從低到高）或 下降沿（從高到低）。
具體要看對SPI的配置；
整體的傳輸大概可以分為以下幾個過程：
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主機先將 NSS 信號拉低，這樣保證開始接收數據；
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當 接收端檢測到時鐘的邊沿信號時，它將立即讀取 數據線上的信號，這樣就得到了一位數據（1 bit ）;
由于時鐘是隨數據一起發送的，因此指定 數據的傳輸速度并不重要，盡管設備將具有可以運行的最高速度（稍后我們將討論選擇合適的時鐘邊沿和速度）。
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主機發送到 從機時：主機產生相應的時鐘信號，然后數據 一位一位地將從 MOSI 信號線上進行發送到從機；
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主機接收 從機數據：如果從機需要將數據發送回主機，則主機將繼續生成預定數量的時鐘信號，并且從機會將數據通過 MISO 信號線發送；
具體如下圖所示；
SPI的時序
注意，SPI是“全雙工”（具有單獨的發送和接收線路），因此可以在同一時間發送和接收數據，另外SPI的接收硬件可以是一個簡單的移位寄存器。這比異步串行通信所需的完整UART要簡單得多，并且更加便宜；SPI特性
SPI總線包括4條邏輯線，定義如下：
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MISO： Master input slave output 主機輸入，從機輸出（數據來自從機）；
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MOSI： Master output slave input 主機輸出，從機輸入（數據來自主機）；
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SCLK： Serial Clock 串行時鐘信號，由主機產生發送給從機；
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SS： Slave Select 片選信號，由主機發送，以控制與哪個從機通信，通常是低電平有效信號。
其他制造商可能會遵循其他命名規則，但是最終他們指的相同的含義。以下是一些常用術語；
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MISO也可以是 SIMO ， DOUT ， DO ， SDO 或 SO （在主機端）;
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MOSI也可以是 SOMI ， DIN ， DI ， SDI 或 SI （在主機端）;
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NSS也可以是 CE ， CS 或 SSEL ;
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SCLK也可以是 SCK ;
本文將按照以下命名進行講解 [MISO, MOSI, SCK，NSS]
下圖顯示了單個主機和單個從機之間的典型SPI連接。
主從連接 時鐘頻率
SPI總線上的主機必須在通信開始時候配置并生成相應的時鐘信號。在每個SPI時鐘周期內，都會發生 全雙工數據傳輸。
主機在 MOSI 線上發送一位數據，從機讀取它，而從機在 MISO 線上發送一位數據，主機讀取它。
就算只進行單向的數據傳輸，也要保持這樣的順序。這就意味著無論接收任何數據，必須實際發送一些東西！在這種情況下，我們稱其為虛擬數據；
從理論上講，只要實際可行，時鐘速率就可以是您想要的任何速率，當然這個速率受限于每個系統能提供多大的系統時鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。
時鐘極性 CKP/Clock Polarity
除了配置串行時鐘速率（頻率）外，SPI主設備還需要配置 時鐘極性。
根據硬件制造商的命名規則不同，時鐘極性通常寫為 CKP或 CPOL。時鐘極性和相位共同決定讀取數據的方式，比如信號上升沿讀取數據還是信號下降沿讀取數據；
CKP可以配置為1或0。這意味著您可以根據需要將時鐘的默認狀態（IDLE）設置為高或低。極性反轉可以通過簡單的邏輯逆變器實現。您必須參考設備的數據手冊才能正確設置CKP和CKE。
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CKP = 0 ：時鐘空閑 IDLE 為低電平 0 ；
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CKP = 1 ：時鐘空閑 IDLE 為高電平 1 ；
除配置串行時鐘速率和極性外，SPI主設備還應配置時鐘相位（或邊沿）。根據硬件制造商的不同，時鐘相位通常寫為 CKE或 CPHA；
顧名思義，時鐘相位/邊沿，也就是采集數據時是在時鐘信號的具體相位或者邊沿；
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CKE = 0 ：在時鐘信號 SCK 的第一個跳變沿采樣；
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CKE = 1 ：在時鐘信號 SCK 的第二個跳變沿采樣；
綜上幾種情況，下圖總結了所有時鐘配置組合，并突出顯示了實際采樣數據的時刻；
其中黑色線為采樣數據的時刻；
藍色線為SCK時鐘信號；
具體如下圖所示；
模式編號
SPI的時鐘極性和相位的配置通常稱為 SPI模式，所有可能的模式都遵循以下約定；具體如下表所示；
SPI Mode CPOL CPHA 0 [00] 0 0 1 [01] 0 1 2 [10] 1 0 3 [11] 1 1
除此之外，我們還應該仔細檢查微控制器數據手冊中包含的模式表，以確保一切正常。
多從機模式
前面說到SPI總線必須有一個主機，可以有多個從機，那么具體連接到SPI總線的方法有以下兩種：
第一種方法：多NSS
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通常，每個從機都需要一條單獨的SS線。
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如果要和特定的從機進行通訊，可以將相應的 NSS 信號線拉低，并保持其他 NSS 信號線的狀態為高電平；如果同時將兩個 NSS 信號線拉低，則可能會出現亂碼，因為從機可能都試圖在同一條 MISO 線上傳輸數據，最終導致接收數據亂碼。
具體連接方式如下圖所示；
多NSS連接
第二種方法：菊花鏈
在數字通信世界中，在設備信號（總線信號或中斷信號）以串行的方式從一 個設備依次傳到下一個設備，不斷循環直到數據到達目標設備的方式被稱為菊花鏈。
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菊花鏈的最大缺點是因為是信號串行傳輸，所以一旦數據鏈路中的某設備發生故障的時候，它下面優先級較低的設備就不可能得到服務了；
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另一方面，距離主機越遠的從機，獲得服務的優先級越低，所以需要安排好從機的優先級，并且設置總線檢測器，如果某個從機超時，則對該從機進行短路，防止單個從機損壞造成整個鏈路崩潰的情況；
具體的連接如下圖所示；
菊花鏈連接
其中紅線加粗為數據的流向；
所以最終的數據流向圖可以表示為：
數據流圖
SCK為時鐘信號，8clks表示8個邊沿信號；
其中D為數據，X為無效數據；
所以不難發現，菊花鏈模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整個鏈充當通信移位寄存器，每個從機在下一個時鐘周期將輸入數據復制到輸出。
優缺點SPI通訊的優勢
使SPI作為串行通信接口脫穎而出的原因很多；
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全雙工串行通信；
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高速數據傳輸速率。
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簡單的軟件配置；
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極其靈活的數據傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；
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非常簡單的硬件結構。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機使用主機時鐘，不需要精密時鐘振蕩器/晶振（與UART不同）。不需要收發器（與CAN不同）。
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沒有硬件從機應答信號（主機可能在不知情的情況下無處發送）；
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通常僅支持一個主設備；
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需要更多的引腳（與I2C不同）；
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沒有定義硬件級別的錯誤檢查協議；
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與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離；
下面是通過STM32的cubemx自動生成的HAL庫代碼，比較簡單，截取了其中一部分，具體如下；
staticvoidMX_SPI1_Init( void)
{
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; //主機模式
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; //全雙工
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; //數據位為8位
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; //CPOL=0
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; //CPHA為數據線的第一個變化沿
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; //軟件控制NSS
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2; //2分頻，32M/2=16MHz
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; //最高位先發送
hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; //TIMODE模式關閉
hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; //CRC關閉
hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; //默認值，無效
if(HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK) //初始化
{
_Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
}
}
//發送數據
HAL_StatusTypeDef
HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi,
uint8_t*pData,
uint16_tSize,
uint32_tTimeout) ;
//接收數據
HAL_StatusTypeDef
HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi,
uint8_t*pData,
uint16_tSize,
uint32_tTimeout) ;
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