图1 SPI通信一主机与一从机通信时的硬件连接
图2 SPI通信一主机与多从机通信时的硬件连接
3 SPI通信协议层
SPI总线在传输数据的同时也传输了时钟信号，所以SPI协议是一种同步（Synchronous）传输协议。Master会根据将要交换的数据产生相应的时钟脉冲，组成时钟信号，时钟信号通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)控制两个SPI设备何时交换数据以及何时对接收数据进行采样，保证数据在两个设备之间是同步传输的。
首先看下SPI通信的起始条件和终止条件：
起始条件：SS从高电平切换到低电平
终止条件：SS从低电平切换到高电平
图3 SPI通信起始条件和终止条件
再来看SPI通信速率，SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。
然后是SPI通信最重要的时钟极性和时钟相位：
根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据。
CKP可以配置为1或0。这意味着你可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。你必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。
CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。
根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA。顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；
CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。
根据SPI的时钟极性和时钟相位特性可以设置4种不同的SPI通信操作模式，它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低），详情如下所示：
Mode0：CKP=0，CKE =0：当空闲态时，SCK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿（准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。
Mode1：CKP=0，CKE=1：当空闲态时，SCK处于低电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK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。
Mode2：CKP=1，CKE=0：当空闲态时，SCK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCK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。
Mode3：CKP=1，CKE=1：当空闲态时，SCK处于高电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK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。
图4 SPI通信时钟极性和时钟相位
| SPI工作模式 | CPOL | CPHA | 空闲时的SCLK电平 | 采样时刻 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 低电平 | 奇数边沿 |
| 1 | 0 | 1 | 低电平 | 偶数边沿 |
| 2 | 1 | 0 | 高电平 | 奇数边沿 |
| 3 | 1 | 1 | 高电平 | 偶数边沿 |
图5 SPI通信四种模式的区别
4 SPI通信内部工作原理
图6 SPI通信主设备和从设备移位寄存器工作原理
SPI总线协议是一种全双工的串行通信协议，数据传输时高位在前，低位在后。SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅充当一个发送者（Transmitter）或者接受者（Receiver）。在片选信号CS为0的情况下，每个clock周期内，SPI设备都会发送并接收1 bit数据，相当于有1 bit数据被交换了。数据传输高位在前，低位在后（MSB first）。
首先主机会将移位寄存器的高位通过MOSI数据线传送到从机的移位寄存器的最低位；同时，从机的移位寄存器的最高位会通过MISO数据线传送到主机移位寄存器的最低位。两个移位寄存器将最高位的数据传出之后，移位寄存器就会进行向右移位，因此最低位也会腾出空间，让主机的最高位数据放到从机的最低位，从机的最低位数据放到主机的最低位。以此循环八次，就能将一个字节的数据进行转换了。
例如，下图示例中简单模拟SPI通信流程，主机拉低NSS片选信号，启动通信，并且产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在MOSI线路一位一位发送数据0X53，在MISO线路一位一位接收数据0X46，如下图所示：
图7 SPI通信主设备和从设备移位寄存器示例
这里有一点需要着重说明一下：SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。若只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节（虚拟数据）；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。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。
