序列周邊介面

串行外設接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一種用於晶片通信的同步串行通信接口規範，主要應用於單片機系統中的訊號傳遞。類似的技術還有I²C等。摩托羅拉公司於20世紀80年代中期首先開發出此傳輸介面，之後逐漸發展為行業規範之一。它的典型應用有快閃記憶體^[1]^[2]、EEPROM、SD卡與液晶顯示器。

SPI設備之間使用全雙工模式通信，是一個主機和一個或多個從機的主從模式。主機負責初始化幀，這個數據傳輸幀可以用於讀與寫兩種操作，片選（英語：Chip select）線路可以從多個從機選擇一個來響應主機的請求。

有時SPI接口被稱作四線式接口，這是為了與其他不同線制的數據傳輸接口加以區分。SPI準確來講應為「同步串行接口」，但是它又與同步串行接口協議（SSI）是完全不同的兩種協議。雖然SSI也是一個四線式同步通信協議，但是它使用差分信號，而且僅提供一個單工通信信道。於此相對地，SPI是一個單主機多從機的通信接口。

SPI是一種事實標準，也就是說這種規範沒有對應的技術標準。因此各個廠家生產的SPI器件配置不一樣，不一定有互操作性。

接口

SPI總線規定了4個保留邏輯信號接口：

SCLK（Serial Clock）：串列時脈，由主機發出
MOSI（Master Output, Slave Input）：主機輸出，從機輸入信號（數據由主機發出）
MISO（Master Input, Slave Output）：主機輸入，從機輸出信號（數據由從機發出）
SS（Slave Select）：片選信號，由主機發出，一般是低電位有效

儘管上述的引腳名稱是最常用的，但是，在過去有時使用其他引腳命名方式，因此舊的積體電路產品的SPI端口引腳名稱可能有所不同。

操作

SPI匯流排的通訊操作，可以在單個主機與一個或多個從機之間進行。

在單一從機的情況下，若從機允許，SS線可以固定為邏輯低電平。然而一些從機需要片選訊號的負緣觸發來啟動，例如Maxim MAX1242 ADC在高→低轉換時才會開始進行模數轉換。對於多個從機，每個從機都需要一個獨立的SS訊號。

大多數從機具有三態邏輯的特性，所以當從機未被選中時，它們的MISO訊號變為高阻抗（邏輯斷開）。沒有三態輸出的裝置不能與其他裝置共享SPI總線段，但是能使用外接的三態邏輯緩存來解決此問題。

數據傳輸

為了開始通訊，總線上的主設備需要使用從設備支持的頻率來配置時鐘，這個頻率最高為幾兆赫茲左右。然後主設備將某個從設備的SS線置為低電平，來選中這個從設備。如果等待時間是必要的話（例如進行模數轉換），主設備必須在這段時間結束後，才可以發出時鐘周期訊號。

在每個SPI時鐘周期內，都會發生全雙工數據傳輸。主設備在MOSI線上發送一個位，從設備讀取它，同時從機在MISO線上發送一位數據，主機讀取它。即使只有單向數據傳輸的目的，主從機之間的通訊工作方式仍然是雙工的。

傳輸通常會使用給定字長的兩個移位寄存器，一個在主設備中，一個在從設備中，這兩個寄存器連接成一個虛擬的環形緩衝區。數據通常先從最高位移出。在時鐘訊號邊沿，主機和從機均移出一位，然後在傳輸線上輸出給對方。在下一個時鐘沿，每個接收器都從傳輸線接受對方發出的數據位，並且從移位寄存器的最低位推入。每完成這樣一個移出——推入的周期後，主機和從機就交換寄存器中的一位數據。當所有數據位都經過了這樣的移出——推入過程後，主機和從機就完成了寄存器上的數據交換。如果需要交換的數據比寄存器的位數還要長的話，則需要重新加載移位寄存器並重複該過程。傳輸可能會持續任意數量的時鐘周期。完成後，主設備會停止發送時鐘訊號，並通常會取消選擇從設備。

傳輸寄存器通常包含8位。但是其他字長也很常見，例如觸摸屏控制器或音頻編解碼器通常採用16位字長（如德州儀器的TSC2101），許多數模轉換或者模數轉換的設備則會採用12位字長。

所有在總線上的沒有被片選線激活的從設備必須忽略輸入時鐘和MOSI訊號，並且不得從MISO發送數據。

獨立的從設備配置

在獨立的從設備配置中，每個從設備都有獨立的晶片選擇線。在一般情況下，要通過上拉電阻將片選線（ss線）與電源連接起來，以減少器件之間的串擾^[3]。由於從機的MISO引腳連接在一起，因此它們需要為三態引腳（高，低或高阻抗）。

中斷

SPI從設備有時會使用另一條訊號線將中斷訊號發送到主設備的CPU。例子包括來自觸摸屏傳感器的筆下中斷，來自溫度傳感器的熱限制警報，實時時鐘芯片發出的警報， SDIO以及來自手機中聲音編解碼器的耳機插孔插入。 SPI標準中並不包括中斷。中斷的使用既不被禁止也不被標準規定。

SPI代碼示例

/*
 * 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;
}

優點和缺點

優點

SPI協議默認是全雙工通信。
與漏極開路輸出相反，SPI的推輓輸出可提供良好的信號完整性和高速度
比I²C或SMBus更高的傳輸頻寬。不限於任何最大時脈頻率，可實現高速運行
完整的傳輸位協議靈活性
- 不限於8位字
- 任意選擇消息大小，內容和目的地
簡單的線路連接
- 由於電路較少（包括上拉電阻），因此通常比I²C或SMBus的功耗要低，
- 沒有仲裁或相關的失敗模式
- 從站與主機使用同一時脈來源，不需要各自配置精密振盪器
- 從站不需要唯一的地址 - 不像I²C或GPIB或SCSI
- 不需要收發器
IC封裝只使用四個引腳，而電路板布局或連接器則少於並行接口
每個器件至多有一個獨特的總線信號（芯片選擇）;其他信號均可以共享
信號是單向的，允許簡單的電氣隔離
軟體撰寫簡易

缺點

即使是三線式SPI，也需要比I²C更多的IC線路
沒有帶內尋址; 共享總線上需要帶外片選信號
從機不支持流控制（但主機可以延遲下一個時鐘邊沿以降低傳輸速率）
不支持動態添加節點（熱插拔）。
- 沒有從機檢測機制，主機無法檢測是否與從機斷開。
通常只支持一個主設備（取決於設備的硬體實現）
沒有錯誤檢測機制，不像I²C在每個位元組後有回覆訊號
無法進行數據檢驗，不定義額外的協議時（如CRC）無法保證數據正確性。
與RS-232 ， RS-485或CAN總線相比，它只能處理短距離內的數據傳輸。（距離可以通過使用收發器如RS-422進行擴展）
有許多現有的變體，使得很難找到支持這些變體的主機適配器等開發工具。
- 一些變體，如雙路SPI ，四路SPI和三線SPI是半雙工的。
必須通過帶外信號來實現中斷，或者通過使用類似於USB 1.1和2.0的定期輪詢來模擬中斷

參見

參考文獻

^ 存档副本. [2020-09-10]. （原始內容存檔於2019-11-09）.
^ 存档副本. [2020-09-10]. （原始內容存檔於2019-04-30）.
^ Better SPI Bus Design in 3 Steps. [2021-01-01]. （原始內容存檔於2021-12-15）（英語）.

外部連結

Introduction to Serial Peripheral Interface article on embedded.com
Serial buses information page （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
SPI Introduction （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） with helpful diagrams
Serial Flash Lots of good information on SPI part manufacturers and models.
SPI - PICmicro Serial Peripheral Interface （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Microchip (company) tutorial on SPI.
How SPI simplify multi-device connections （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

[1] 存档副本. [2020-09-10]. （原始內容存檔於2019-11-09）.

[2] 存档副本. [2020-09-10]. （原始內容存檔於2019-04-30）.

[3] Better SPI Bus Design in 3 Steps. [2021-01-01]. （原始內容存檔於2021-12-15）（英語）.

[1]

[2]

[3]

閱論編總線標準和業界標準（有線（英語：Wired communication））
一般	系統總線前端總線後端總線菊鏈串接控制總線地址總線總線競爭即插即用總線列表雙獨立匯流排
標準	SS-50匯流排（英語：SS-50 bus） S-100匯流排（英語：S-100 bus） Unibus（英語：Unibus） VAXBI（英語：VAXBI Bus） MBus（英語：MBus (SPARC)） STD匯流排（英語：STD Bus） SMBus Q-Bus（英語：Q-Bus） Europe Card匯流排（英語：Europe Card Bus） ISA STEbus（英語：STEbus） Zorro II（英語：Amiga Zorro II） Zorro III（英語：Amiga Zorro III） CAMAC（英語：Computer Automated Measurement and Control） FASTBUS（英語：FASTBUS） LPC HP精準匯流排（英語：HP Precision Bus） EISA VME（英語：VMEbus） VXI（英語：VME eXtensions for Instrumentation） VXS（英語：VXS） NuBus（英語：NuBus） TURBOchannel（英語：TURBOchannel） MCA（英語：Micro Channel architecture） SBus（英語：SBus） VLB PCI PXI（英語：PCI eXtensions for Instrumentation） HP GSC bus（英語：GSC bus） InfiniBand Ultra Port Architecture（英語：Ultra Port Architecture） PCI Extended (PCI-X) AGP PCI Express (PCIe) DMI RapidIO（英語：RapidIO） QPI NVLink HyperTransport Infinity Fabric
存儲	ST-506（英語：ST-506） ESDI IPI（英語：Intelligent Peripheral Interface） SMD（英語：Storage Module Device）並行ATA（PATA，配合DMA） SSA（英語：Serial Storage Architecture） DSSI（英語：Digital Storage Systems Interconnect） HIPPI（英語：HIPPI）串行ATA（SATA）並行SCSI 串列SCSI（SAS）光纖通道 SATA Express PCI Express（通過AHCI或NVM Express邏輯裝置介面）
外圍	Apple Desktop Bus（英語：Apple Desktop Bus） HIL（英語：HIL bus） MIDI Multibus（英語：Multibus） RS-232 RS-422 RS-423（英語：RS-423） EIA-485（RS-485） Lightning DMX512-A（英語：DMX512#DMX512-A） IEEE-488 (GPIB) IEEE-1284（並口）（英語：IEEE 1284） UNI/O（英語：UNI/O） ACCESS.bus（英語：ACCESS.bus） 1-Wire D²B（英語：IEC 61030） I²C SPI 並行SCSI Profibus IEEE 1394（火線） USB Camera Link External PCIe Thunderbolt
音訊	ADAT Lightpipe（英語：ADAT Lightpipe） AES3（英語：AES3）英特爾高清晰音效 I²S MADI（英語：MADI） McASP（英語：McASP） S/PDIF TOSLINK
可移動	PC Card ExpressCard
嵌入式	Multidrop bus（英語：Multidrop bus） CoreConnect（英語：CoreConnect） AMBA Wishbone（英語：Wishbone (computer bus)） SLIMbus（英語：SLIMbus）
註：埠依大致速度增序排列，每節最後列出的埠應該是最快的分類