SPI总线协议
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是 Motorola（现 NXP）1980 年代推出的高速、全双工、同步串行通信协议，广泛用于板级短距离芯片互连（MCU、传感器、Flash、显示屏等）。
一、核心特点
- 同步：主设备提供时钟 SCLK，双方严格按时钟边沿收发。
- 全双工：MOSI（主→从）与 MISO（从→主）独立，可同时收发。
- 主从架构：单主多从，主设备控制时序与片选；不支持多主。
- 高速：速率可达几 MHz～上百 MHz，远快于 I2C/UART。
- 简单灵活：无起始 / 停止 / 校验位，可自定义帧长（常见 8 bit）。
二、硬件接口（4 线制）
| 信号线 | 全称 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|---|
| SCLK | Serial Clock | 主→从 | 同步时钟，主机产生 |
| MOSI | Master Out, Slave In | 主→从 | 主机发送、从机接收 |
| MISO | Master In, Slave Out | 从→主 | 从机发送、主机接收 |
| CS/SS | Chip Select / Slave Select | 主→从 | 片选，低电平有效，选择通信从机 |
- 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
- 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
- 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入
- 一主多从：每个从机独立 CS 线；同一时间仅一个从机被选中。
- 简化 3 线制：半双工时可 MOSI/MISO 合并为一根双向数据线。
三、通信原理
1. 基本流程
- 主机拉低目标从机 CS，选中设备。
- 主机输出SCLK 时钟，同时在 MOSI 发数据、在 MISO 收数据（全双工同步移位）。
- 每发 / 收 1 bit 对应 1 个时钟边沿；通常高位（MSB）优先。
- 传输完成后，主机停止 SCLK、拉高 CS，释放从机（MISO 高阻）。
2. 全双工移位
SPI 本质是两个 8 位移位寄存器环回：
- 主机移位寄存器 → MOSI → 从机移位寄存器
- 从机移位寄存器 → MISO → 主机移位寄存器
- 每时钟边沿双方同时移位 1 bit，实现交换一个字节(位)。
四、四种工作模式（CPOL+CPHA）
模式由时钟极性 CPOL与时钟相位 CPHA组合决定，主从必须配置相同模式。
1. CPOL（Clock Polarity，时钟极性）
- CPOL=0：SCLK 空闲为低电平，有效高电平。
- CPOL=1：SCLK 空闲为高电平，有效低电平。
2. CPHA（Clock Phase，时钟相位）
- CPHA=0：第一个边沿采样、第二个边沿更新。
- CPHA=1：第二个边沿采样、第一个边沿更新。
3. 模式速查表
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲电平 | 采样边沿 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mode 0 | 0 | 0 | 低 | 上升沿 | 最常用（Flash、ADC） |
| Mode 1 | 0 | 1 | 低 | 下降沿 | 部分传感器 |
| Mode 2 | 1 | 0 | 高 | 下降沿 | 部分 SPI 设备 |
| Mode 3 | 1 | 1 | 高 | 上升沿 | 常见于 LCD、OLED |
- Mode 0（最常用）：空闲低，上升沿采样、下降沿更新。
- Mode 3：空闲高，上升沿采样、下降沿更新，与 Mode 0 时序对称。
💡 记住：90% 外设默认 SPI Mode0，硬件匹配不对直接收乱码。
五、时序详解（以 Mode 0 为例）
- 空闲：SCLK=0，CS = 高（未选中）。
- 起始：CS 拉低 → 第一个上升沿：主机输出 MOSI、从机采样 MOSI。
- 传输：
- 上升沿：采样数据（读）
- 下降沿：更新数据（写）
- 结束：8 个时钟后收完 1 字节 → CS 拉高，SCLK 保持低。
六、帧格式
- 无起始位、停止位、校验位，仅纯数据位，效率高但无内置检错。
- 帧长可配置：4～16 bit，默认 8 bit（1 字节）。
- 位顺序：默认MSB 优先，部分设备支持 LSB 优先（主从需一致）。
七、优缺点
优点
- ✅全双工高速：速率远超 I2C/UART，适合大数据吞吐。
- ✅简单可靠：无仲裁、无应答机制，硬件实现简单。
- ✅灵活：帧长、模式、位顺序均可配置。
缺点
- ❌无内置校验：需软件 CRC / 奇偶校验保证可靠性。
- ❌一主多从需独立 CS：从机多时占用 GPIO 多。
- ❌仅短距离：板级通信，长距离易受干扰。
- ❌不支持多主：总线控制权唯一。
八、与 I2C/UART 对比
| 特性 | SPI | I2C | UART |
|---|---|---|---|
| 拓扑 | 单主多从 | 多主多从 | 点对点 |
| 线数 | 4（或 3） | 2 | 2 |
| 双工 | 全双工 | 半双工 | 全双工 |
| 时钟 | 同步（主机提供） | 同步（主机提供） | 异步（波特率匹配） |
| 速率 | 最高 | 中等 | 较低 |
| 寻址 | 片选 | 7/10 位地址 | 无 |
| 校验 | 无 | 无 | 可选 |
九、常见应用
- 存储：SPI Flash（W25Qxx）、SD 卡。
- 传感器：ADC/DAC、陀螺仪、加速度计。
- 显示：LCD、OLED、TFT 屏。
- 通信：以太网 PHY、CAN 控制器。
- 其他：RTC、EEPROM、FPGA 配置接口。
十、配置要点
- 模式匹配：主从 CPOL/CPHA 必须一致，否则通信失败。
- 时钟速率：不超过从机最大支持频率（常见 10～20 MHz）。
- 位顺序：MSB 或 LSB 优先，主从一致。
- CS 极性：多数低电平有效，少数高电平有效。
- 软件校验：关键数据建议加 CRC / 奇偶校验。