AUTOSAR MCAL系列之SPI通信

SPI（Serial Peripheral interface）是Motorola公司推出的串行外围设备接口，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，在芯片管脚有四根线：SCLK，MISO，MOSI，CS。
（文末附1有单工、半双工和全双工的区别阐述；当然，文末还有其他福利。）

SPI总线主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，以及数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局节省了空间，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

1  SPI 特点

SPI通信采用主从模式，主要特点如下：

• 可同时发出和接收串行数据；

• 可以当作主机或从机工作；

• 主机发送时钟频率可编程控制；

• 有发送结束中断标志；

• 写冲突保护；

• 总线竞争保护；

SPI的优点是支持高速、同步、全双工、非差分、总线式通信。缺点是并没有明确的流控制，也没有应答机制确认是否接收到数据，所以跟IIC总线协议比较在数据可靠性上有一定的缺陷。

SPI硬件上有一个SPI_DR寄存器和两个缓冲器（发送缓冲器和接收缓冲器），主模式：SPI_DR会先从发送缓冲器读出数据，然后通过MOSI引脚一位一位地将数据发出去，在发送的过程中，SPI_DR的数据会左移（如果是高位先发送），并且会从MISO引脚读入数据填补SPI_DR左移后的空缺。传输数据后，SPI_DR再把数据并行写入接收缓冲寄存器。

SPI主从设备两端都有一个移位寄存器，数据在移位寄存器上通过逐位移动来实现同步双工通信，在主机发送数据的同时也会收到从机发来的数据。需要注意的是传输过程是通过主机写入一个需要发送的数据开始。
如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；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。发送结束可以设置中断。

SPI通信的从设备在出厂时被配置成某种模式，从设备无法变更。通信双方的通信模式要一致才能正常通信，我们只能配置主设备的通信模式。

时钟相位（ CPHA）：

在同步接口中，肯定存在一个接口时钟，用来同步采样接口上的数据。CPHA就是用来定义数据采样在第几个边沿的，数据的采样时刻。1代表第二个边沿采样，为0代表第一个边沿采样。

SPI通信模式是通过CPOL和CPHA来控制主设备的通信模式。

通过配置极性和相位为0或1，可配置成为4种不同的传输时序：极性为0，时钟空闲为低电平，反之为高；相位为0，据在第一个时钟跳变沿被采集，为1的话在第二个跳变沿被采集。

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。

时钟相位主要是在设置数据在什么时候改变和什么时候被采样。

在配置SPI模块时，SPI 主机和从设备时钟相位和极性应该一致。

CPOL=0，CPHA=0：

此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是 SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿。

CPOL=0，CPHA=1：

此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据发送是在第1个边沿，也就是 SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=0：

此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是 SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=1：

此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据发送是在第1个边沿，也就是 SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

数据帧格式：可软件设置MSB或LSB哪个在先（SPI_CR1寄存器中LSBFIRST位），也可设置输入输出数据帧是8位或者16位（SPI_CR1寄存器DFF位）。
需要注意的是，根据SPI被配置成主或者从模式，MIMO和MOSI引脚的功能会自动改变，实现发送和接收的切换。

附1：单工、半双工和全双工的区别

单工数据传输只支持数据在单一方向上传输，即同一时间只有一方能接受或发送信息，不能实现双向通信，如电视、广播。
半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信。在同一时间只可以有一方接受或发送信息，可以实现双向通信。如对讲机。

全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，即全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力；在同一时间可以同时接受和发送信息，实现双向通信。如电话通信。