Interfejs SPI zbudowany jest na rejestrach przesuwnych, które składają się z przerzutników typu D. Synchronizacja każdego z nich odbywa się za pomocą sygnału zegarowego. Przerzutników jest 8, numerowanych liczbami od 0 do 7. Na wejście przerzutnika nr 0 wprowadzany jest stan logiczny, który uruchamia ramkę danych (ang. data frame).
Każdy przerzutnik przechowuje jeden bit danych. Interfejs SPI MASTER generuje sygnał zerowy za pomocą generatora. Połączone linie MOSI i MISO tworzą zamknięty pierścień, dzięki czemu transfer danych jest ciągły, ale nie stały. Co osiem cykli zegarowych generatora wysyłany jest 1 bajt danych. Wartość rejestru można zmieniać co 8 cykli zegara.
Przesyłanie ramki danych przez interfejs SPI nie jest domyślnie nastawione. Może zostać nastawione poprzez wybór, czy wysyłanie ramek rozpocznie się od najstarszego, czy od najmłodszego bitu. Przesuwanie danych w rejestrach można również ustawić dla zbocza opadającego lub narastającego sygnału SCK.
Typy interfejsów SPI
QSPI Interfejs QSPI (Quad SPI) jest rozwinięciem interfejsu SPI. Przeznaczony jest do współpracy z szybkimi pamięciami z interfejsem szeregowym. QSPI może pracować w trzech trybach, różniących się użyciem linii danych.