SPI(串行外圍裝置接口)總線是一種基于時鐘同步的高速全雙工串行通信總線。通常包含四根信号線，分别為sdi（串行資料輸入），sdo(串行資料輸出)，sclk(串行移位時鐘)、cs（從使能信号）構成。
圖1 SPI總線連接配接關系(點對點)
圖2 一主機對多從機
SPI總線采用主從模式(Master Slave)架構，支援多從機模式應用，但實際晶片隻支援單主機工作，其中cs信号決定了唯一與主裝置通信的從裝置。若沒有cs信号，則隻能存在一個從裝置。主從機發送與接收資料是同時完成的。
在SPI操作中，資料是同步進行發送和接收的。資料傳輸的時鐘基于來自自主處理器的時鐘脈沖。最常用的時鐘設定是基于時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)兩個參數。時鐘極性設定時鐘空閑時的電平(高電平還是低電平)，時鐘相位設定讀取和發送資料時的時鐘沿(上升沿還是下降沿)。通過對時鐘極性以及時鐘相位的設定，SPI總線有四種工作模式。使用最廣泛的是SPI0和SPI3方式,若CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀态為低電平，若CPOL=1，則串行同步時鐘的空閑狀态為高電平。CPHA能夠選擇兩種不同的傳輸協定之一進行資料傳輸。若CPHA=0，在串行時鐘的第一個跳變沿資料被采集，若CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿資料被采集。四種模式時序分析如下：
- CPOL=0，CPHA=0
圖3 SPI0模式時序圖
由上圖可以看出，SPI0模式時，當資料未發送以及資料發送後，SCK都是低電平，在SCK第一個沿時，資料是穩定的，同時在第二個沿時，MOSI與MISO會發生變化，也就是在時鐘的第一個沿進行資料采樣，資料輸出在第二個沿上。
- CPOL=0，CPHA=1
圖4 SPI1模式時序圖
由上圖可以看出，SPI1模式時，當資料未發送以及資料發送後，SCK都是低電平，在SCK第一個沿時，MOSI與MISO會發生變化，在第二個沿時資料是穩定的，也就是在時鐘的第一個沿進行資料輸出，資料采樣在第二個沿上。
- CPOL=1，CPHA=0
圖5 SPI2模式時序圖
由上圖可以看出，SPI2模式時，當資料未發送以及資料發送後，SCK都是高電平，在SCK的第一個沿時，資料是穩定的，在SCK的第二個沿時，MOSI與MISO會發生變化，即在時鐘的第一個沿時進行資料采樣，在時鐘的第二個沿時進行資料輸出。
- CPOL=1，CPHA=1
圖6 SPI3模式時序圖
由上圖可以看出，SPI3模式時，當資料未發送以及資料發送後，SCK都是高電平，在SCK的第一個沿時，MOSI與MISO會發生變換，在SCK的第二個沿時，資料是穩定的。即在時鐘的第一個沿進行資料輸出，在時鐘的第二個沿進行資料采樣。
綜上所述，可以看出，當CPHA=0時，表示資料的采樣在時鐘周期的第一個沿上，而具體的時鐘沿由CPOL決定，則資料輸出在第二個沿。當CPHA=1時，表示資料的輸出在時鐘的第一個沿上，同樣具體的時鐘沿由CPOL決定，則第二個資料采樣在第二個沿。
從上面時序可以看出，SPI的主從裝置内部均為一個8位的移位寄存器。SPI的實作結構如下：
圖7 SPI實作結構
實際實作時，可以利用主機的sclk信号作為移位時鐘信号，按照高位在前，低位在後的順序，依次将總線上的資料送入内部移位寄存器，進而完成SPI的接收與發送。