串行外设接口 （SPI） 总线是一个工作在全双工模式下的同步串行数据链路。它可用于在单个主控制器和一个或多个从设备之间交换数据。其简单的实施方案只使用四条支持数据与控制的信号线（图 1）：
虽然表1中的引脚名称来自摩托罗拉开发的SPI标准，但具体集成电路的SPI端口名称往往与图1中所示的不同。
图 1:基本 SPI 总线
表 1:SPI 引脚名称分配
SPI 数据速率一般在1到70MHz的范围内，字长为从8位及12位到这两个值的倍数。
数据传输一般由数据交换构成。在主控制器向从设备发送数据时，从设备也向主控制器发送数据。因此主控制器的内部移位寄存器和从设备都采用环形设置（图 2）。
图2:双移位寄存器形成一个芯片间的环形缓存器
在数据交换之前，主控制器和从设备会将存储器数据加载至它们的内部移位寄存器。收到时钟信号后，主控制器先通过MOSI线路时钟输出其移位寄存器的MSB。同时从设备会读取位于SIMO的主控器第一位元，将其存储在存储器中，然后通过SOMI时钟输出其MSB。主控制器可读取位于MISO的从设备第一位元，并将其存储在存储器中，以便后续处理。整个过程将一直持续到所有位元完成交换，而主控器则可让时钟空闲并通过/SS 禁用从设备。
除设置时钟频率外，主控制器还可根据数据配置时钟极性和相位。这两个分别称为CPOL与CPHA的选项可实现时钟信号180度的相移以及半个时钟周期的数据延迟。图3是相应的定时图。
图3:时钟极性与相位的定时图
CPOL = 0 时，时钟空闲在逻辑 0 位置上：
如果CPHA = 0，数据在SCK的上升沿读取，在下降沿变化。
如果CPHA=1，数据在SCK的下降沿读取，在上升沿变化。
CPOL= 1 时，时钟在逻辑为高时空闲：
如果CPHA =0，数据在SCK的下降沿读取，在上升沿变化。
如果CPHA= 1，数据在SCK的上升沿读取，在下降沿变化。
在SPI中，主控制器可与单个或多个从设备通信。如果是一个单从设备，从设备选择信号可连接至从设备的本地接地电位，实现永久接入。对使用多个从设备的应用，可使用两种配置：独立从设备与菊花链从设备（图4）。
图4:主控制器与独立从设备（左）及菊花链从设备通信（右）
要与从设备单独通信，主控制器必须提供多重从设备选择信号。该配置通常用于必须单独访问多个模数转换器（ADC）及数模转换器（DAC）的数据采集系统中。
菊花链从设备只需要主控制器提供一个从设备选择信号，因为这种配置要求所有从设备同时启用，以确保数据不间断地流经该链路中的所有移位寄存器。典型应用是工业I/O 模块中的级联多通道输入串行器与输出驱动器。