序列周邊介面

串行外设接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一种用于晶片通信的同步串行通信接口规范，主要应用于单片机系统中。类似I²C。
这种接口首先由摩托罗拉公司于20世纪80年代中期开发，后发展成了行业规范。它的典型应用有快閃記憶體、EEPROM、SD卡与液晶显示器。

SPI设备之间使用全双工模式通信，是一个主机和一个或多个从机的主从模式。主机负责初始化帧，这个数据传输帧可以用于读与写两种操作，线路可以从多个从机选择一个来响应主机的请求。

有时SPI接口被称作四线式接口，这是为了与其他不同线制的数据传输接口加以区分。SPI准确来讲应为“同步串行接口”，但是它又与同步串行接口协议（SSI）是完全不同的两种协议。虽然SSI也是一个四线式同步通信协议，但是它使用差分信号，而且仅提供一个单工通信信道。于此相对地，SPI是一个单主机多从机的通信接口。

SPI是一种事实标准，也就是说这种规范没有对应的技术标准。因此各个厂家生产的SPI器件配置不一样，不一定有互操作性。

接口
SPI总线规定了4个保留逻辑信号接口：
 SCLK（Serial Clock）：串列时脈，由主机发出
 MOSI（Master Output, Slave Input）：主机输出从机输入信号（数据由主机发出）
 MISO（Master Input, Slave Output）：主机输入从机输出信号（数据由从机发出）
 SS（Slave Select）：片选信号，由主机发出，一般是低電位有效

尽管上面的引脚名称是最常用的，但在过去，有时会使用其他引脚命名方式，因此旧的集成电路产品的SPI端口引脚名称可能有所不同。

操作 

SPI总线的通訊操作可以在单个主设备与一或多个从机之间进行。

在只有单一从机的情况下，如果从机允许，SS线可以固定为逻辑低电平。然而有一些从机需要片选訊号的下降沿来触发动作，例如Maxim MAX1242 ADC在高→低转换时才会开始进行模数转换。对于多个从机，每个从机都需要一个独立的SS訊号。

大多数从属设备具有三態邏輯的特性，所以当器件未被选中时，它们的MISO訊号变为高阻抗（逻辑断开）。没有三态输出的器件不能与其他器件共享SPI总线段，但是可以使用外接的三态逻辑缓存来解决这个问题。

数据传输 

为了开始通訊，总线上的主设备需要使用从设备支持的频率来配置时钟，这个频率最高为几兆赫兹左右。然后主设备将某个从设备的SS线置为低电平，来选中这个从设备。如果等待时间是必要的话（例如进行模数转换），主设备必须在这段时间结束后，才可以发出时钟周期訊号。

在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。主设备在MOSI线上发送一个位，从设备读取它，同时从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。即使只有单向数据传输的目的，主从机之间的通訊工作方式仍然是双工的。

传输通常会使用给定字长的两个移位寄存器，一个在主设备中，一个在从设备中，这两个寄存器连接成一个虚拟的環形緩衝區。数据通常先从最高位移出。在时钟訊号边沿，主机和从机均移出一位，然后在传输线上输出给对方。在下一个时钟沿，每个接收器都从传输线接受对方发出的数据位，并且从移位寄存器的最低位推入。每完成这样一个移出——推入的周期后，主机和从机就交换寄存器中的一位数据。当所有数据位都经过了这样的移出——推入过程后，主机和从机就完成了寄存器上的数据交换。如果需要交换的数据比寄存器的位数还要长的话，则需要重新加载移位寄存器并重复该过程。传输可能会持续任意数量的时钟周期。完成后，主设备会停止发送时钟訊号，并通常会取消选择从设备。

传输寄存器通常包含8位。但是其他字长也很常见，例如触摸屏控制器或音频编解码器通常采用16位字长（如德州仪器的TSC2101），许多数模转换或者模数转换的设备则会采用12位字长。

所有在总线上的没有被片选线激活的从设备必须忽略输入时钟和MOSI訊号，并且不得从MISO发送数据。

独立的从设备配置 

在独立的从设备配置中，每个从设备都有独立的晶片选择线。在一般情况下，要通过上拉电阻将片选线（ss线）与电源连接起来，以减少器件之间的串扰。
由于从机的MISO引脚连接在一起，因此它们需要为三态引脚（高，低或高阻抗）。

中断 

SPI从设备有时会使用另一条訊号线将中断訊号发送到主设备的CPU。 例子包括来自触摸屏传感器的笔下中断，来自温度传感器的热限制警报，实时时钟芯片发出的警报， SDIO以及来自手机中声音编解码器的耳机插孔插入。 SPI标准中并不包括中断。 中断的使用既不被禁止也不被标准规定。

SPI代码示例 
/*
 * 通过SPI协议在主设备和从设备之间交换一个字节的数据
 *
 * Polarity and phase are assumed to be both 0, i.e.:
 *   - 输入数据在SCLK的上升沿捕获。
 *   - 输出数据在SCLK的下降沿传播。
 *
 * 返回接收到的一字节的数据
 */
uint8_t SPI_transfer_byte(uint8_t byte_out)
{
    uint8_t byte_in = 0;
    uint8_t bit;

    for (bit = 0x80; bit; bit >>= 1) {
        /* Shift-out a bit to the MOSI line */
        write_MOSI((byte_out & bit) ? HIGH : LOW);

        /* Delay for at least the peer's setup time */
        delay(SPI_SCLK_LOW_TIME);

        /* Pull the clock line high */
        write_SCLK(HIGH);

        /* Shift-in a bit from the MISO line */
        if (read_MISO() == HIGH)
            byte_in |= bit;

        /* Delay for at least the peer's hold time */
        delay(SPI_SCLK_HIGH_TIME);

        /* Pull the clock line low */
        write_SCLK(LOW);
    }

    return byte_in;
}

优点和缺点

优点 
 SPI协议默认是全双工通信。
 与漏极开路输出相反，SPI的推挽输出可提供良好的信号完整性和高速度
 比I²C或SMBus更高的傳輸頻寬 。 不限于任何最大時脈頻率，可实现高速运行
 完整的传输位协议灵活性
 不限于8位字
 任意选择消息大小，内容和目的地
 简单的線路連接
 由于电路较少（包括上拉电阻），因此通常比I²C或SMBus的功耗要低，
 没有仲裁或相关的失败模式
 从站與主機使用同一時脈來源，不需要各自配置精密振荡器
 从站不需要唯一的地址 - 不像I²C或GPIB或SCSI
 不需要收发器
 IC封装只使用四个引脚，而电路板布局或连接器则少于并行接口
 每个器件至多有一个独特的总线信号（芯片选择）;其他信号均可以共享
 信号是单向的，允许简单的電氣隔離
 軟體撰寫簡易

缺点 
 即使是三线式SPI，也需要比I²C更多的IC線路
 没有带内寻址; 共享总线上需要带外片选信号
 从机不支持流控制 （但主机可以延迟下一个时钟边沿以降低传输速率）
 不支持动态添加节点（热插拔）。
 没有从机检测机制，主机无法检测是否与从机断开。
 通常只支持一个主设备（取决于设备的硬體实现）
 没有错误检测机制，不像I²C在每個位元組後有回覆訊號
 无法进行数据檢驗，不定义额外的协议时（如CRC）无法保证數據正確性。
 与RS-232 ， RS-485或CAN总线相比，它只能处理短距离内的数据传输。（距离可以通过使用收发器如RS-422进行扩展）
 有许多现有的变体，使得很难找到支持这些变体的主机适配器等开发工具。
 一些变体，如双路SPI ， 四路SPI和三线SPI是半双工的。
 必须通过带外信号来实现中断，或者通过使用类似于USB 1.1和2.0的定期轮询来模拟中断

參見

I²C
网络总线列表

参考文献

外部連結 
 Introduction to Serial Peripheral Interface article on embedded.com
 Serial buses information page 
 SPI Introduction  with helpful diagrams
 Serial Flash Lots of good information on SPI part manufacturers and models.
 SPI - PICmicro Serial Peripheral Interface  Microchip (company) tutorial on SPI.

串行总线