从零到一：深入理解SPI模式及其在Micro SD卡中的应用（技术宝典）


参考资源链接：[Micro SD卡（TF卡）SPI模式操作详解](https://wenku.csdn.net/doc/6412b4cbbe7fbd1778d40d7a?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. SPI模式简介与工作原理

## SPI模式简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的，全双工，同步的通信接口，并且在电路中只需要四根线就可以完成通信，是一种非常常用的通信协议。SPI模式使用主从架构，允许多个从设备与一个主设备进行通信，广泛应用于微控制器和各种外围设备之间的数据交换。

## SPI的工作原理

SPI协议的核心由主设备上的四个基本信号线组成：SCLK（Serial Clock，串行时钟）、MOSI（Master Output Slave Input，主输出从输入）、MISO（Master Input Slave Output，主输入从输出）和SS（Slave Select，从设备选择）。主设备通过SCLK线提供时钟信号，控制数据的发送和接收，而数据通过MOSI和MISO线在主从设备之间传输。SS信号线用来选择和激活从设备，允许主设备与特定的从设备进行通信。

在工作过程中，主设备会通过MOSI线发送字节数据到从设备，同时从设备也会将数据通过MISO线传回给主设备，确保同步性。数据的传输以字节为单位，发送一个字节时，同时会接收一个字节。这种全双工机制使得数据传输效率更高。

通过以上架构，SPI提供了一种高效的数据交换方式，是嵌入式系统中常用的通信协议之一。接下来的章节我们将深入了解SPI的通信协议、Micro SD卡的工作原理以及在实际应用中的详细情况。

# 2. SPI通信协议详解

## 2.1 SPI协议基础

### 2.1.1 SPI通信框架

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的、全双工、同步的串行通信总线，由摩托罗拉在1980年代首先开发，广泛应用于微控制器和各种外围设备之间进行通信。一个典型的SPI通信框架包括四个主要的信号线：主设备上的MISO（Master In Slave Out，主设备数据输入，从设备数据输出）、MOSI（Master Out Slave In，主设备数据输出，从设备数据输入）、SCK（Serial Clock，串行时钟）、SS（Slave Select，从设备选择）。

SPI通信框架的核心是主从架构。一个SPI网络只能有一个主设备，但是可以有多个从设备，每个从设备都由主设备通过独立的SS线路选择进行通信。在数据通信过程中，主设备通过MOSI发送数据到从设备，同时通过MISO从从设备接收数据，这两个过程是同时进行的。

这里有一个简单的SPI通信框架的示意图：

flowchart LR
    Master[主设备] -->|MOSI| Slave[从设备]
    Slave -->|MISO| Master
    Master -->|SCK| Slave
    Master -->|SS| Slave

### 2.1.2 SPI信号线及其功能

- **MOSI（主出从入）：** 主设备通过此信号线向从设备发送数据。
- **MISO（主入从出）：** 从设备通过此信号线向主设备发送数据。
- **SCK（串行时钟）：** 由主设备提供，用于同步数据传输。数据在时钟脉冲的上升沿或下降沿被采样，具体取决于时钟极性和相位配置。
- **SS（从设备选择）：** 低电平有效，由主设备控制，用于选择哪一个从设备参与通信。当SS信号线处于高电平时，对应的从设备将不参与数据通信。

下面是一个表格，展示了SPI信号线及其具体功能：

| 信号线 | 功能 |
| --- | --- |
| MOSI | 主设备向从设备发送数据 |
| MISO | 从设备向主设备发送数据 |
| SCK | 同步数据传输的时钟信号 |
| SS | 从设备选择信号 |

## 2.2 SPI协议的数据传输机制

### 2.2.1 位传输与字节传输

在SPI协议中，数据传输可以是单个位的传输也可以是整个字节的传输。位传输模式通常用在设备初始化或者状态查询时，而字节传输则更为常见，用于发送和接收数据。

位传输的基本原则是，在SCK的每个时钟周期中，主设备通过MOSI发送一位数据给从设备，同时从设备也通过MISO向主设备发送一位数据。字节传输则是将8个位串行打包成一个字节，按顺序进行传输。

### 2.2.2 时钟极性和相位的配置

SPI时钟的极性和相位定义了数据采样的时钟边沿，这对数据的正确读取至关重要。时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的配置有四种组合，通常用SPI模式0、1、2、3来表示。

下面是一个简单的表格，总结了四种SPI模式的配置：

| SPI模式 | CPOL（时钟极性） | CPHA（时钟相位） |
| --- | --- | --- |
| 模式0 | 0 | 0 |
| 模式1 | 0 | 1 |
| 模式2 | 1 | 0 |
| 模式3 | 1 | 1 |

每个模式下，数据采样发生在不同的时钟边沿。例如，在模式0下，时钟为低电平时，数据采样发生在上升沿（CPHA = 0），而数据输出发生在下降沿（CPHA = 1）。

### 2.2.3 数据传输速率的控制

数据传输速率是由主设备上的SCK信号线的频率决定的。SPI总线的传输速率一般在几十kbps到几Mbps之间，取决于硬件的支持。设置合理的速率可以保证数据传输的可靠性和设备的响应时间。数据传输速率的设置可以在主设备的初始化过程中配置，通常通过设置时钟分频器（Clock Prescaler）来实现。

例如，如果主设备的时钟源是8MHz，而我们希望SPI通信的时钟频率是1MHz，那么就需要设置分频器为8（8MHz / 1MHz）。

## 2.3 SPI的主机和从机架构

### 2.3.1 主从模式下的数据交换过程

在SPI协议中，主从模式的数据交换过程如下：

1. 主设备将SS线置为低电平，选择一个从设备进行通信。
2. 主设备产生时钟信号，并通过SCK线路传输给选定的从设备。
3. 主设备通过MOSI线路发送数据到从设备的同时，从设备通过MISO线路发送数据到主设备。
4. 数据传输完成，主设备将SS线置为高电平，结束与从设备的通信。

### 2.3.2 多从机通信管理

在多从机通信场景中，主设备会使用多个SS信号来控制不同的从设备。每增加一个从设备，就需要增加一根SS线路。在进行数据交换时，主设备只需要激活对应的SS线即可选择特定的从设备进行通信。

### 2.3.3 硬件和软件主从模式的对比

硬件主从模式指的是通过专门的硬件SPI接口进行通信，这种模式下，SPI的控制逻辑由硬件自动完成，减轻了CPU的负担，提高了数据传输的效率。

软件主从模式则是通过普通的GPIO（通用输入输出）口模拟SPI通信过程。这种方式在没有硬件SPI接口的微控制器上非常有用，但效率较低，且容易受CPU其他任务的影响。

## 2.4 SPI协议的优势与局限性

### 2.4.1 SPI与I2C等其他串行通信协议比较

SPI协议的主要优势在于：

- 高速数据传输
- 支持全双工通信
- 硬件实现简单

然而，与I2C等其他串行通信协议相比，SPI也有一些局限性：

- 单一主设备限制了网络的规模
- 多从设备管理复杂，需要较多的GPIO资源
- 无内置错误检测机制

### 2.4.2 SPI在各种应用场景中的优缺点

在嵌入式系统、音频和视频设备以及通信设备中，SPI协议因其简单和高效而被广泛应用。例如，在嵌入式系统中，SPI可以用来连接各种传感器和存储设备，实现实时数据采集和存储。

然而，在需要多主设备和复杂网络管理的场景下，SPI的局限性会变得较为明显。例如，I2C协议支持多主设备通信，并且内置了地址和冲突检测机制，更适合复杂的通信网络。

# 3. Micro SD卡技术规格和工作原理

## 3.1 Micro SD卡的结构与组成

### 3.1.1 物理层的构造与接口

Micro SD卡是一种微型存储卡，广泛应用于便携式电子设备中，如智能手机、数码相机、平板电脑以及嵌入式系统中。从物理层面来看，Micro SD卡体积小巧，其尺寸为15mm x 11mm x 1mm，拥有9个接触点。卡的制造采用了薄型的封装技术，以适应更多小型化的应用需求。

在物理层构造中，Micro SD卡通过金属接触点与外界通信，这些接触点包括电源（VCC）、地（GND）、数据线（DAT0, DAT1, DAT2, DAT3）、时钟线（CLK）、命令响应线（CMD）以及卡检测线（CD/DAT3）。这些线构成了基本的SP