SPI(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，通过串行外围设备接口，能与外部设备之间进行全双工同步串行通信，其功能类似于51串行接口的方式0，有4个引脚：MISO,MOSI,SCK,CS.
基本概念
标准的SPI总线接口有4根通信线路，一条总线上也挂载多个SPI从设备（一主多从），是一种全双工同步通信总线。
MISO（Master Input Slave Output）：主设备输入从设备输出，主设备读取从设备的数据，也有一些器件称之为SDI，就是串行数据输入的意思；
MOSI（Master Output Slave Input）：主设备输出从设备输入，主设备向从设备发送数据，另一种称法是SDO，就是串行数据输出的意思；
SCK（Serial Clock）：和IIC相同，无论是主设备还是从设备，所有数据的传输都是以这条线路上的时钟为同步，所以SPI和IIC都是属于同步串行接口；
SS（Slave Select）：IIC可以通过寻址来找到总线上的指定设备，SPI则是用SS线来使能需要操作的设备，设备多的话，也可能使用多个IO口或者数据选择器、译码器之类。也有的器件称为CS。
支持SPI接口的设备有EEPROM,FLASH,RTC,AD转换器等。现在很多器件都是SPI的变种，三线SPI（MISO,MOSI复用）是一种半双工同步串行通信。
硬件接线时，所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起，主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚，引脚配置方面输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入。由下图可以看出其接线方式。
SPI总线通信规则
SPI数据传送
数据传输时主从设备的数据移位寄存器同时工作。 主机移位寄存器的最高位发送到从机移位寄存器的最低位，从机移位寄存器的最高位也送到主机移位寄存器的最低位，经过8次数据传输后，从机一个字节的数据被送到主机的移位寄存器中，主机一个字节的数据也被送到从机的移位寄存器中，两边的数据同时完成交换。所以SPI的收发是同步执行的，而IIC收发是异步执行的。
SPI的收发是同步的，而若是只要求主机接收或者发送时又该怎么办呢？
要求主机只接收时，那么主机的移位寄存器中放入一个不需要从机读取的数据即可（一般为0X00或0XFF）,要求主机只发送时，那么对从机移入的数据不读即可。
如上图所示，主机和从机要交换数据，在一个时钟周期内，当时钟的第一个边沿发生时，主机和从机都将自己最高位的数据发到数据线（MOSI、MISO）上，对应上图就是主机将1放到MOSI，从机将0放到MISO上，时钟的第二个边沿发生时，主机和从机将数据线上的数据读出放到移位寄存器最低位。完成一个位的传输后这时主机移位寄存器的内容就变为0101010，从机移位寄存器数据为10101011.重复8次后就可完成一个字节的传输。
简单的来说，SPI的传输方式是数据高位先行，一个时钟周期内，第一个时钟边沿输出数据到信号线上，第二个时钟边沿采样数据，将数据送入移位寄存器最低位。
起始位和终止位
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
如图，左边是起始信号，右边是终止信号。
与IIC不同，SPI选中从设备即表示数据输出将开始，SPI的片选线是SS，SS为低电平有效即低电平时表示主机选中从机，高电平时未选中从机。
时钟信号的相位和极性
硬件SPI接口，主机侧需要对相关寄存器进行设置，其中 有两个重要的位，其配置不同，则通信的模式也不同。
CPOL(Clock Polarity):时钟极性选择位（时钟在高或低电平空闲）。
CPOL=0，表示空闲时时钟为低电平即SCK=0,有效状态为时钟高电平（SCK=1）
CPOL=1，表示空闲时时钟为高电平即SCK=1,有效状态为时钟低电平（SCK=0）
CPHA(Clock Phase):时钟相位选择位（数据在第一或第二个边缘采样（读取））。
CPHA=0，表示数据采样在第一个边沿（奇数边沿），数据传输在第二个边沿（偶数边沿）
CPHA=1，表示数据采样在第二个边沿（偶数边沿），数据传输在第一个边沿（奇数边沿）
不同的从设备可能在出厂的时候配置为某一种模式，这是不能改变的，通信双方必须是工作在同一模式下，所以需要主设备对SPI模式进行配置，通过CPOL和CPHA来控制主设备的通信模式。
模式0（CPOL=0，CPHA=0）
CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据
该模式下为奇数边采样，偶数边输出
如上图所示为模式0的时序图。因为该模式下是时钟信号第一个边沿采样，所以在SS下降沿（启动信号）后需要立即将要发送的数据输出到数据线(MOSI、MISO)上，这样才能使第一个时钟边沿时主机和从机采样到信号，当到达第二个时钟边沿（偶数边），继续将第二个数据输出到数据线上，不断重复这个过程就可以实现一个字节或多个字节的传输。
由图可以看出SS下降沿后，MISO和MOSI立即变化，表名有数据输出到该数据线上，SCK上升沿时，主机和从机采样数据，此时数据线上的信号必须保持稳定，这样才能确保数据的有效性。下一个边沿发生时才继续将新的数据输出到数据线上。
模式1（CPOL=0，CPHA=1）
CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据
该模式下为偶数边采样，奇数边输出
与模式0不同的是，该模式下为第二个边沿采样数据，所以在SS下降沿（启动信号）后不需要立即将数据输出到信号线上，而是在SCK第一个边沿（奇数边）的时候才将数据输出到数据线上，在SCK第二个边沿（偶数边）时采样数据。
模式2（CPOL=1，CPHA=0）
CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据
该模式下为奇数边采样，偶数边输出
该模式与模式0相似，只不过SCK空闲时的电平为高电平，将模式0的SCK取反就可得到该模式，其输出和采样原理和模式0相同。
模式3（CPOL=1，CPHA=1）
CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据
该模式下为偶数边采样，奇数边输出
数据位有效性
数据在时钟线上升沿或下降沿被采集，采集时数据线（MISO,MOSI）信号必须保持稳定，其他时间可以变化。
STM32 的SPI
STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担。
上图为STM32的SPI结构框图，其可分为三个部分，一为数据的接收和发送，二为时钟输出，三为控制部分。
数据的接收和发送是框图中的左上部分，端口为MISO和MOSI，从图中数据箭头指示方向看出MISO数据移入的时候先移入的是移位寄存器的左边，这与我们之前说的SPI为高位先行正好相反，说明了STM32的SPI支持高位先行和低位先行，若要其变为高位先行则需要对LSBFIRST控制位进行相应的操作。MOSI和MISO之间有交叉线，这是用来做主从机模式选择的时候用的，若该STM32为主机则不需要交换MISO 和MOSI，而当该STM32作为从机时，需要交换这两个数据线。
硬件SPI传输数据
下图为STM32硬件SPI非连续传输发送，非连续传输用于传输速率要求不高的地方，大多数场景下非连续传输已经够用，所以本文只介绍非连续传输。
上图中SPI配置为模式3，数据传输为低位先行（高位先行原理相同）。
当开始信号发出后（SS下降沿图中未给出），SCK第一个边沿之前，TXE下降沿，发送缓冲区非空，表示有数据写入发送缓冲区，在图中可看出该TXE下降沿后发送缓冲区中内容变为0XF1，之后发送缓冲区数据送入数据移位寄存器，SCK第一个边沿时，数据1的b0位输出，数据传输开始。
TXE=1发送数据缓冲区为空，此时虽然发送数据缓冲区为空，当并没有将新的数据放入其中，而是等待当前一个字节的数据发送完成后，再放入新数据。从图中可以看出数据1的b7位传输完成后，当SCK下一个边沿之前TXE出现下降沿，重复发送第一个数据的时序。
总结
SPI总线由SCK,MISO,MOSI,SS四线构成，是一种全双工同步通信总线。主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过自己的串行移位寄存器写一个字节来发起传输。根据极性和相位的不同有4种工作模式，数据传输期间数据线根据极性和相位的设置在时钟线SCL在不同的边沿输出或采样数据。