何謂串列週邊介面（SPI） ? 關於 SPI 通訊的介紹

何謂串列週邊介面（SPI） ? 關於 SPI 通訊的介紹

串列週邊介面（SPI）是一種介面匯流排，常用於微控制器和小型外設之間傳送數據，如移位寄存器、感測器和SD卡。它使用獨立的時鐘和數據線，以及一個選擇線，用於選擇您想要通信的設備。

串行端口存在一些問題

串行端口存在的問題在於它們是「非同步」的，這意味著沒有對數據何時發送進行控制，也沒有保證雙方以完全相同的速率運行。由於計算機通常依賴於所有事物都與單一的“時鐘”同步（即連接到計算機的主晶體驅動的一切），因此當兩個具有略微不同時鐘的系統試圖相互通信時，這可能是個問題。

為了解決這個問題，非同步串行連接在每個字節中添加了額外的起始位和停止位，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率（例如每秒9600位）達成一致。傳輸速率的輕微差異並不是問題，因為接收器在每個字節的開始時重新進行同步。

這段提到的細節確實很值得稱讚！串行協議通常會先發送最低有效位，因此最小的位數位於最左邊。因此，較低的四位元實際上是 0011（0x3），而較高的四位元是 0101（0x5）。

非同步串行通訊運作得很好，但在每個字節中發送的額外起始和停止位以及發送和接收數據所需的複雜硬件都存在較大的開銷。而且，如您在自己的項目中可能已經注意到的那樣，如果兩端的速率不相同，接收到的數據將會是垃圾。這是因為接收器在非常特定的時間（上述圖中的箭頭）取樣位元。如果接收器在錯誤的時間取樣，它將看到錯誤的位元。

A Synchronous Solution 同步解決方案

SPI 以稍微不同的方式工作。它是一種「同步」數據匯流排，這意味著它使用獨立的數據線和一個「時鐘」來保持雙方完美同步。時鐘是一個振盪信號，告訴接收器何時在數據線上取樣位元。這可以是時鐘信號的上升（低到高）邊緣或下降（高到低）邊緣；數據表將指定使用哪一種。當接收器檢測到該邊緣時，它將立即查看數據線以讀取下一位（見下圖中的箭頭）。由於時鐘與數據一起傳送，因此指定速度並不重要，盡管設備將具有其可以運行的最高速度（稍後我們將討論如何選擇適當的時鐘邊緣和速度）。

SPI 如此受歡迎的一個原因是，接收硬體可以是一個簡單的移位寄存器。這是一個比非同步串行所需的完整 UART（通用非同步收發器/傳輸器）要簡單（且更便宜！）的硬體。

Receiving Data 接收資料

您可能會想自問：這對單向通訊很好，但如何在相反的方向上發送資料呢？這裡的情況稍微複雜一些。

在 SPI 中，只有一方產生時鐘信號（通常稱為 CLK 或 SCK，表示串行時鐘）。產生時鐘信號的一方稱為「控制器」，而另一方稱為「周邊設備」。通常只有一個控制器（幾乎總是您的微控制器），但可以有多個周邊設備（稍後會詳細介紹）。

當資料從控制器發送到周邊設備時，它會通過一條名為 PICO 的資料線發送，即「周邊設備輸入/控制器輸出」。如果周邊設備需要將回應發送回控制器，則控制器將繼續產生一定數量的時鐘周期，而周邊設備則會將資料放到第三條名為 POCI 的資料線上，即「周邊設備輸出/控制器輸入」。

請注意我們在上面的描述中提到了「事先安排」。由於控制器始終生成時鐘信號，它必須事先知道何時周邊設備需要返回資料，以及將返回多少資料。這與非同步串行非常不同，因為在非同步串行中，可以隨時以任意量的資料在任何方向上進行傳送。實際上，這並不是問題，因為 SPI 通常用於與具有非常特定命令結構的感測器進行通信。例如，如果您向設備發送「讀取資料」的命令，則知道設備將始終返回例如兩個位元組的資料。（在可能需要返回可變量的資料的情況下，您始終可以返回一個或兩個位元組來指定資料的長度，然後讓控制器檢索全部資料。）

請注意，SPI 是「全雙工」的（具有獨立的發送和接收線），因此在某些情況下，您可以同時傳送和接收資料（例如，在檢索先前資料的同時，請求新的感測器讀取）。您的設備資料表將告訴您這是否可能。