SPI硬件电路设计
1 SPI简介
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是美国摩托罗拉公司（Motorola）最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口，是一种高速、全双工、同步通信总线，所以可以在同一时间发送和接收数据。SPI没有定义速度限制，通常能达到10-100M/bps。
SPI有主、从两种模式，通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI不支持多主机），主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的数据传输（对FLASH来说是读写操作）都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。
标准SPI通信接口包含以下四根线：
MISO（Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出；
MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入；
SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；
CS/SS/NSS（Chip Select/Slave Select）：从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电平或低电平，查找从设备Datasheet），主芯片对此从芯片的操作才有效。
2 SPI的特点和基本概念
2.1 SPI的特点
（1）主模式和从模式
（2）高速、全双工、同步通信
（3）双向模式，3线SPI，Dual SPI，Qual SPI（QSPI）
（4）多从机时，从选择输出
（5）模式错误标志，多主时报错，CPU中断功能
（6）双向数据缓冲寄存器，移位寄存器
（7）可编程的时钟极性（CPOL/CKP）和时钟相位（CPHA/CKE）
（8）在等待模式下对SPI的控制，等待模式是一种可配置的低功率模式
2.2 SPI的基本概念
2.2.1 SPI总线术语
SS/CS：Slave Select
SCK：Serial Clock
MOSI：Master Output, Slave Input
MISO：Master Input, Slave Output
MOMI：Master Output, Master Input
SISO：Slave Input, Slave Output
2.2.2 SPI控制器内部结构框图
SPI的主要部分是状态、控制和数据寄存器、移位器逻辑、波特率发生器、主/从控制逻辑和端口控制逻辑。此结构为摩托罗拉协议的结构，每个主控制器内部SPI结构可能略有差异。
2.2.3 SPI总线的运行状态
SPI有三种模式，即运行、等待和停止。
运行模式：这是最基本的操作方式。
等待模式：等待模式下的SPI操作是一种可配置的低功率模式，由位于SPICR2寄存器中的SPISWAI位控制。在等待模式下，如果SPISWAI位被清除，SPI进入运行模式。如果设置了SPISWAI位，则SPI将进入功率保守状态，而SPI时钟生成将被关闭。如果SPI配置为主服务器，任何正在进行的传输都将停止，但在CPU进入运行模式后恢复。如果SPI配置为从服务器，则字节的接收和传输继续，以便从服务器与主服务器保持同步。
停止模式：SPI在停止模式下处于非活动状态，以降低功耗。如果SPI配置为主服务器，任何正在进行的传输都将停止，但在CPU进入运行模式后恢复。如果SPI配置为从服务器，则字节的接收和传输继续，以便从服务器与主服务器保持同步。
更为详细的描述见协议文档，只需大概了解即可。
2.2.4 标准SPI和3线SPI，Dual SPI和Qual SPI（6线）的区别
（1）标准SPI：标准SPI通常就称SPI，有4根引脚信号：clk , cs, mosi, miso。
（2）3线SPI：在SPI控制寄存器2中设置SPC0位时，选择双向模式。在此模式下，SPI只使用一个串行数据脚。MSTR位决定使用哪个引脚。MOSI引脚成为主模式的串行数据I/O（MOMI）引脚，而MISO引脚成为从属模式的串行数据I/O（SISO）引脚。SPI不使用主模式下的MISO引脚和从属模式下的MOSI引脚。因此三线SPI包含3跟信号线，CLK，CS，MOMI（SOSI）。摩托罗拉的3线SPI是有CS的，数据线变成双向。
TI的3线SPI是没有CS信号，使用CLK、MOSI、MISO，不能多从操作。并且说明了不支持2线单向操作，即只使用CLK和MOSI或MISO。
（3）Dual SPI（Dual serial peripheral interface）双线串行外设接口
Dual SPI一般是对SPI Flash而言，不是所有SPI外设都支持该模式。对于SPI Flash，全双工并不常用，因此扩展了mosi和miso的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输。也就是对于Dual SPI Flash，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样mosi变成SIO0（serial io 0），miso变成SIO1（serial io 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输。只能半双工工作。
（4）Qual SPI（Quad serial peripheral interface）4跟数据线
与Dual SPI类似，也是对SPI Flash而言，Qual SPI Flash增加了两根I/O线（SIO2（WP）,SIO3（HOLD）），目的是一个时钟内传输4个bit。
所以对于SPI Flash，有标准spi flash，dual spi , qual spi 三种工作模式。可以用3-wire, 4-wire, 6-wire工作，在相同clock下，线数越多，传输速率越高。