【基础知识】SPI协议的种类及异同

SPI（Serial Peripheral Interface）作为一种同步串行通信协议，在实际应用中存在多种变体和衍生协议，以适应不同场景的需求。以下是SPI的主要协议种类及其异同点：

一、标准SPI（四线制SPI）

特点：

• 四线制：SCK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。
• 全双工通信：主从设备可同时发送和接收数据。
• 同步传输：依赖SCK时钟信号同步数据。
• 支持多从机：通过多个CS引脚选择不同从设备。
• 典型应用：传感器（如加速度计）、存储器（如SPI Flash）、显示屏。

二、单线路SPI（Single Wire SPI）

特点：

• 两线制：SCLK（时钟）和SDIO（数据输入/输出复用）。
• 半双工通信：同一时刻数据只能单向传输。
• 双向数据线：通过分时复用实现收发，降低引脚数。
• 应用场景：引脚资源紧张的设备，如小型传感器、EEPROM。
• 与标准SPI的差异：
  • 减少了数据线数量，但牺牲了全双工能力。
  • 通信时序需额外控制，如通过命令字节指示数据方向。

三、三线制SPI（Three-Wire SPI）

特点：

• 三线制：SCK、SDIO（双向数据线）、CS。
• 半双工通信：通过方向控制实现双向传输。
• 双向数据线：主从设备通过切换输入/输出模式共享同一数据线。
• 应用场景：简化布线的场景，如近距离通信的外设。
• 与标准SPI的差异：
  • 节省一个数据线引脚，但需要软件或硬件控制数据方向。
  • 可能需要额外的方向控制信号（如DIR引脚）。

四、SPI的衍生协议

1. QSPI（Quad SPI）

特点：

• 高速传输：使用4条数据线（IO0~IO3）并行传输数据。
• 多线模式：支持单线、双线、四线模式切换，兼容标准SPI。
• 指令集扩展：通过专用命令字（如Fast Read Quad IO）启用多线传输。
• 应用场景：高速Flash存储器（如NOR Flash）、高性能外设。
• 与标准SPI的差异：
  • 数据传输速率提升4倍（四线模式下）。
  • 协议复杂度增加，需支持专用命令和时序。

2. DSPI（Dual SPI）

特点：

• 双线传输：使用2条数据线（IO0、IO1）并行传输。
• 速度提升：相比标准SPI，吞吐量翻倍。
• 应用场景：中等速度需求的存储器和外设。
• 与标准SPI的差异：
  • 数据线数量翻倍，传输效率提升。
  • 需支持双线命令和时序。

3. SPI with Daisy Chain（菊花链SPI）

特点：

• 级联拓扑：多个从设备串联，数据依次通过每个设备。
• 共享信号线：所有从设备共享SCK、MOSI、MISO，仅需一个CS。
• 数据转发：前一个从设备的输出连接到下一个从设备的输入。
• 应用场景：需要节省CS引脚的多从机系统，如LED驱动阵列。
• 与标准SPI的差异：
  • 从机之间无独立片选，通过数据帧格式区分设备。
  • 通信延迟增加，需设计特殊的数据帧结构。

五、SPI与其他串行协议的对比

协议	传输方式	数据线	时钟	通信方向	典型速率	特点	应用场景
标准SPI	同步	4线（SCK/MOSI/MISO/CS）	主设备	全双工	1MHz~100MHz	基础四线制，兼容性强	高速外设、存储器
单线路SPI	同步	2线（SCLK/SDIO）	主设备	半双工	1MHz以下	引脚最少，分时复用数据线	低引脚数设备
三线制SPI	同步	3线（SCK/SDIO/CS）	主设备	半双工	1MHz~50MHz	双向数据线，需控制传输方向	简化布线场景
QSPI	同步	6线（SCK/CS/IO0~IO3）	主设备	全双工/半双工	50MHz~500MHz	支持四线并行传输，速度极快	高速Flash、高性能外设
I²C	同步	2线（SCL/SDA）	主设备	半双工	100kHz~4MHz	支持多主多从，带地址寻址	低速多设备通信
UART	异步	2线（TX/RX）	无	全双工	9600bps~115200bps	无时钟，需约定波特率	低速点对点通信
USB	同步	4线（D+/D-/VCC/GND）	主机	全双工	1.5Mbps~10Gbps	高速、自动寻址、热插拔	计算机外设、高速数据传输

六、总结：SPI协议的选择原则

1. 引脚资源：
   • 若引脚紧张，优先选择单线路SPI或三线制SPI。
2. 传输速率：
   • 高速场景（如Flash读写）选择QSPI或DSPI；低速场景可使用标准SPI。
3. 拓扑结构：
   • 多从机系统若CS引脚不足，考虑菊花链SPI。
4. 兼容性：
   • 与现有设备通信时，需确保主从设备支持相同的SPI变体。

通过灵活选择SPI的不同协议种类，可在引脚数量、传输效率和系统复杂度之间取得平衡。

---

QSPI（Quad SPI）的详细特点

1. 四线并行传输

   • 使用4条数据线（IO0~IO3）同时传输数据，相比标准SPI（单数据线）吞吐量提升4倍。
   • 例如，在相同时钟频率下，标准SPI传输1字节需8个时钟周期，而QSPI仅需2个周期。

2. 模式灵活性

   • 支持多种传输模式：
     • 单线模式：兼容标准SPI，使用IO0作为MOSI，IO1作为MISO。
     • 双线模式：IO0和IO1同时传输数据，速率翻倍。
     • 四线模式：IO0~IO3全部用于数据传输，速率最高。

3. 专用命令集

   • 通过特定指令（如FAST_READ_QUAD_IO）激活多线模式。
   • 例如，读取Flash数据时，前几个字节可能通过单线模式传输命令和地址，后续数据通过四线模式高速传输。

4. 典型应用场景

   • 高速NOR Flash：如用于存储固件的大容量Flash芯片（如Micron MT25QL系列）。
   • 高性能传感器：需快速传输大量数据的图像传感器、雷达模块等。

QSPI与标准SPI的关键差异

特性	标准SPI	QSPI
数据线数量	1条MOSI + 1条MISO（共2条数据）	最多4条数据线（IO0~IO3）
最大理论速率	取决于时钟频率（如100MHz）	时钟频率 × 4（如400MHz等效速率）
命令格式	简单命令（如0x03 = Read）	复杂命令集，需支持多线指令
协议复杂度	低	高（需处理模式切换、数据对齐）
硬件支持	所有SPI控制器	需专用QSPI控制器或兼容控制器
应用场景	通用外设通信	高速数据存储、高性能设备

选择建议

• 优先使用QSPI：当需要极高传输速率（如Flash读写、大数据量传感器）且控制器支持时。
• 使用标准SPI：当兼容性要求高、速率需求中等或从设备不支持QSPI时。
• 注意：QSPI设备通常也支持标准SPI模式，可在低速场景下退化为标准SPI通信。