一般只含RX（接收）线和TX（传送）线的串行端口，我们会称它作异步串口。因为该类串口无法很精确地保证数据在通讯两端实现同步传收。这是由于计算机系统的一切操作都由标准时钟源信号驱动（计算机的晶振源），则如果两个系统的标准时间系统由稍微偏差，它们之间的通讯就会出问题。

为了解决这个问题，异步串口通讯系统在每一帧数据里额外增加了起始位和结束位，以保证接收端对每一帧的数据完整接收。另外，在通信两端，都必须设同样的通讯速率（如9600波特率）。起始位和结束位的设定下，保证了即使帧与帧之间的时间间隔有稍微偏差，也能实现正常通讯。

（另外，如上图所示，所发送的“11001010” 实际上不等于0x53，因为在串口通讯中一般会首先从数据的最低位开始发送，因此最左端的实际是数据的最低位。所以低半字节实际是0011 = 0x3，高半字节是0101 = 0x5。）

异步通讯纵然好，但它在每帧数据的起始位与结束位上浪费太多信息空间，并且对通讯端的硬件要求较高。另外，当你发现在你的项目中，通讯端之间的传输速率不一，那么传输的数据必然会严重失真。这是因为异步通信里，接收端只能在特定的时间点里对数据线进行采样（如上图虚线处）。否则，接收端会采集到错误的数据。

一个同步的解决方案

SPI 的工作原理有一点不同。它是一种“同步”的数据总线系统，这意味着它额外的增加了一个通讯线共享时钟源，以实现传输同步。这时钟源是一种震荡信号，用来告知接收端对数据线的正确采样时间点。这有可能是时钟信号的上升沿（电平由低到高）或下降沿（电平由高到低）；这可以在硬件的数据手册查询。接收端一检测到时钟线的电平变化，就会对数据线进行采样一，以获得一位新的数据（如下图虚线处）。由于每一位数对应着据时钟越变信号，数据就不需要用很精准的速率传输，不过传输端还是会以最高速传输。（我们接着会讨论选择适合的时钟沿以及传输每一位数据的速度。）

由于主机一直操控时钟线，因此它会预先知道从机将会返回多少位数据。以上特点与异步串口通信很不一样，它的接收端接收来自发送端的数据时间上是相对随机的。在SPI通讯中，信息是以特殊的数据格式和协议来传输。例如，MCU对传感器发出“读数据”的指令，传感器一般会按通信协议返回两位字节数据。（如果，你想要一个完整原始的数据，你可以先让传感器先返回一或两个字节声明该原始数据的长度，然后再传输原始数据。）

注意SPI是“全双工”总线系统（拥有分别独立的发送线和接收线）因此，在实际情况下，你可以同时实现数据的发送和接收（例如，实现发送要求对一个传感器读数据的命令，同时接收另外一个传感器回传的数据）。硬件的数据手册会告诉你这是可行的。

从机通讯选择 (SS)

这是SPI总线系统里最后一个你需要关注的线，它叫SS（Slave Select）。这根线是用来激活主机所需通讯的从机。

SS在空闲时为高电平，即断开从机与主机之间的SPI通讯。（这种类型的逻辑被称为“低电平有效”，您经常会看到它用于使能和复位。）在数据传输之前，要拉低所需通讯从机的SS端。当你不与该从机通讯，则将它的SS端拉高。这对应于移位寄存器里的锁存端。

多从机工作

要是有两个或以上从机连在同一根SPI总线系统上：

1. 一般来说每一个从机都要独立分配一个SS线。当要与指定的从机通讯时，你将对应的SS端拉低，其它从机的则保持高电平（你不会想同时让两个从机被激活，否则这两个从机就会同时在MISO端与主机通讯，造成数据的相互干扰失真）。每一个从机对应一条独立的SS线。如果你的主机输出口不够，可以用译码器扩展。
2. 在另一方面，若是要环形传输数据，一个从机的MISO连到下一个从机的MOSI。则要把所有的从机激活通讯。只要数据传输完成，就要把对应的SS端拉高，以防多个从机同时激活。这类结构经常用在位移寄存器和可寻址LED硬件里。

注意在这设计里，当数据流从一个从机到另一个，至到任意一个，你将需要传输足够多的数据来推动这个数据流。同样，要注意你传出去的第一分数据是留给最后一个从机的。

这类型的设计通常用在单一输出的情况下，就如LED模块，工作时它并不会返回任何的数据。这样情况你便可以省去MISO端。另外，要是有数据返回，你可以选择环形总线结构来返回数据（上图蓝线所示）如果你选择这类结构。当你接收端来自从机1的数据时，则说明它的数据已经流过所有的从机。所以，为了接收到你所需的数据，你要传输足够多的接收命令。

SPI的程序

许多的MCU已经内置了SPI的硬设，来应对所需高速传输数据的所有要求。而且，对你们来说，按SPI的通讯协议配置相应的I/O口去传输数据是十分简单的。（一个很好的例子在维基百科的SPI。）

如果你想在一个Arduino实现SPI与其他硬件通讯，这有两种方法：

1. 你可以用shiftIn()和shiftOut() 指令。这是基于软件的指令，你可以用任何的引脚作为输出，但这样传输速度会比较慢。
2. 或者你可以用SPI Library,是集成到MCU的SPI模块。它比指令方法快多了，但它只能按特定的引脚输出。

在通讯之前，你要设置一些相关选项。这些设置必须要和你所通讯的外设相匹配；查阅它们的资料手册，看通讯时需要什么配置要求。

• 在通讯时可以先发送最高有效位（MSB）或最低有效位（LSB）。在Arduino的SPI库里，这由 setBitOrder() 函数控制。
• 从机会在时钟脉冲信号上升沿或下降沿读取数据。另外，要注意时钟线在空闲时时高电平还是低电平。在Arduino的SPI库里，这由 setDataMode() 函数控制。
• SPI可以高速传输数据（几兆每秒），这对于一些外设来说太快了。为了适应这些设备，你可以调节传输速度。在Arduino的SPI库里，这由setClockDivider() 函数来实现，它会将主机的输出时钟频率（对于大多Ardunio是16MHz）分频（8MHz (/2)到125kHz (/128)之间。
• 如果你用SPI库，你只能用它所指定提供的SCK, MOSI and MISO 引脚。另外，还有一条指定的SS端（对于SPI硬件模块来说，必须至少有一根SS端），不过你也要分配其他的端口作SS端，分别控制每一个从机。
• 在旧版的Arduino，你需要额外写程序控制相应SS端，让其在通讯前拉低，在通讯结束时拉高。在新版的Ardunio，如Due 可以自动控制每一个SS端，详情见 Due SPI documentation page。

更多相关资源

提示和技巧由于

• 由于SPI传输的是高速信号，它只能进行短距离通讯（仅几英尺）。如果你要远距离通讯，则要降低时钟脉冲频率，并加专用的驱动芯片。
• 如果SPI的传输情况不符合你的预期设想，用逻辑分析仪去排误是一个不错的选择。智能分析仪如Saleae USB Logic Analyzer，可以译码并显示和记录所测量的数据。

SPI的优点:

• 它比异步串口通讯要快
• 就收器的硬件要求较低，如移位寄存器
• 支持多从机通讯

 SPI的缺点:

• 相比其他通讯方案，它需要的信号线较多
• 要制定通讯协议（你不可以随意发一堆数据）
• 只能有主机控制所有的通讯（从机之间不能直接通讯）
• 它需要额外分配SS线对应每一个从机，如果众多从机，这将是个大问题。

扩展阅读

查阅  SPI的维基百科, 那有很多关于SPI的信息以及一些同步串口通讯的资料。

这篇博客 展现了更多关于基于嵌入式硬件建立SPI通讯的正确方法，示例是用 Arduino
。

许多SparkFunA的产品支持SPI通讯。如 Bar Graph Breakout kit
。

其他通讯方案：

• Serial Communication
• Analog to Digital Conversion
• I²C

现在你是SPI的支持者之一了，以下有一些其他教程来练习你的新技能：

• Serial 7-Segment Display Quickstart
• Elevator Tardis
• Graphic LCD Quickstart