SPI是由摩托罗拉（现为NXP Semiconductors公司的一部分）于1985年前后开发，是一种适用于短距离、设备到设备通信的同步串行接口。从那时起，这种接口就已成为许多半导体制造商，特别是微处理器和微控制器采用的事实标准。 SPI之所以广受欢迎，是因为它有很多优点。首先，SPI是一种简单的硬件寻址接口，在传输的位数方面具有全面的灵活性。该接口采用具有单个主设备的主从模型，可使用以高50 MHz时钟速率运行的全双工通信来处理多个从设备。它不使用标准协议，仅传输数据包，因此非常适合传输长数据流。 SPI最多可使用四条信号线（图1）。主设备（通常是处理器或控制器）为时钟 (SCK) 和片选 (CS) 信号线供电并进行控制。全多工操作由数据线“主出从入 (MOSI)”和“主入从出(MISO)”进行处理。在简单的单主单从配置中，可以省去片选信号线，并将从设备的CS输入强制作为启用的逻辑条件。如果从设备只能发送数据（半双工通信），那么还可以省去MOSI线，进一步减少信号计数。数据按时钟信号输出，这样数据传输类似于移位寄存器，每个时钟移出一位。
图1：基本SPI全双工连接使用两条数据线（MOSI、MISO）、一条时钟线(SCK) 和一条片选线 (CS)。从设备上的MOSI有时标记为从设备数据输入(SDI)。MISO可标记为从设备数据输出 (SDO)。（图片来源：Digi-Key Electronics）
目前有两种方法可以处理多个从设备（图2）。
图2：两种处理多个从设备连接的配置。直接连接方式下每个从设备需要一个片选信号。菊花链连接方式仅使用一个片选信号，并将所有数据集中在一条线上。（图片来源：Digi-Key Electronics）
直接连接方式下每个从设备使用一条片选信号线。大多数微处理器都有三到四条片选线，这就将从设备的最大数量限制为片选线的数量。这在多数情况下不会出现问题，但如果某个设计需要总线上有更多的设备，这时可以使用菊花链方法配置一些设备。通过菊花链，多个从设备可使用一个共用的片选信号，而数据则通过共用数据线流出。这里再次将 SPI 从设备用作移位寄存器，来自从设备的数据可以在串行多路复用流中传播。
SPI时钟模式
由主设备控制并生成时钟。时钟的两个属性分别是时钟极性 (CPOL) 和时钟相位 (CPHA)。这些属性控制从设备相对数据进行计时的有效时钟边沿。CPOL = 0时，将时钟设为在逻辑0位置空闲。CPOL = 1时，时钟在逻辑1位置空闲。CPHA = 0时，数据在上升沿计时，CPHA = 1时，数据在下降沿计时（图3）。
图3：SPI时钟模式选择确定了进行数据采样的有效时钟边沿。
（图片来源：Digi-Key Electronics）
主设备中的CPOL和CPHA线路设置决定了时钟极性以及进行数据计时的有效边沿。模式1是最常用的模式，但设计人员同样可以使用其他三种模式。 在示波器上可以观察SPI传输的三个信号分量（图4）。在此示例中，传输的是8位数据包。用于观察数据传输的是[color=var(--weui-LINK)]Teledyne LeCroy的[color=var(--weui-LINK)]HDO4104A示波器及其SPI串行解码选件。
图4：在Teledyne LeCroy的HDO4104A示波器（配有串行解码选件）上查看的SPI互换示例。波形如下：上面的轨迹是数据线，中间的轨迹是时钟，底部的轨迹是片选信号。数据轨迹上的蓝色覆盖区显示的是十六进制解码内容。（图片来源：Digi-Key Electronics）
模式1时钟由八脉冲组组成，其中空闲设置为0位 (CPOL = 0)，数据在后沿或下降沿 (CPHA = 1) 计时。本示例中使用的示波器配有串行解码选件，用于对数据内容进行解码。在数据轨迹上的蓝色覆盖区读出十六进制的数据内容。解码仅与片选信号线被断言（0电平）时发生的数据有关。总共有17个时钟猝发，但只有其中5个猝发对应有效片选状态。 波形显示栅格下方的表格中列出了有效数据内容，还有每个数据包相对于示波器触发器的时间以及测量的时钟速率（本例中的速率为100kb/s）。每个猝发中的时钟周期数可设定从设备按时钟输出的数据位数。
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