2. SPI 四种模式：CPOL 和 CPHA 详解

SPI 通信最让人头疼的是什么？我个人觉得，就是这四种模式。刚入行那会儿，我经常因为主从设备的模式没对上，折腾一整天。说白了，模式就是时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的组合。

2.1 CPOL 和 CPHA 到底是什么？

先看两个概念：

• CPOL（Clock Polarity）：空闲时时钟线的电平。CPOL=0 表示空闲低电平，CPOL=1 表示空闲高电平。
• CPHA（Clock Phase）：数据在时钟的哪个边沿采样。CPHA=0 表示第一个边沿采样，CPHA=1 表示第二个边沿采样。

你想想看，这两个参数一组合，正好四种情况。我习惯用一张表来记：

模式	CPOL	CPHA	空闲时钟电平	数据采样边沿
模式 0	0	0	低电平	上升沿
模式 1	0	1	低电平	下降沿
模式 2	1	0	高电平	下降沿
模式 3	1	1	高电平	上升沿

嗯，这里要注意：模式 0 和模式 3 是最常用的。为什么？因为很多 Flash、ADC、传感器默认就支持这两种。我遇到过最坑的一次，是某国产芯片手册写支持模式 0，结果实际只能跑模式 2……

2.2 时序图对比：模式 0-3

光看表格不够直观。咱们直接画时序图，你一眼就能看出区别。

从图上你能看到：模式 0 和模式 3 的采样点都在上升沿，但空闲电平相反。模式 1 和模式 2 的采样点在下降沿。我建议你记住一个规律：CPHA=0 时，第一个边沿采样；CPHA=1 时，第二个边沿采样。

2.3 常见器件模式匹配

实际项目中，不同厂家的器件默认模式不一样。我整理了一份常见器件的模式对照表：

器件类型	常见型号	默认模式	备注
Flash 存储器	W25Q64, MX25L256	模式 0 / 模式 3	大部分支持两种
ADC 转换器	ADS1256, MCP3008	模式 0	少数支持模式 1
温度传感器	MAX31855, MAX6675	模式 0	注意时序要求严格
加速度计	ADXL345, MPU6050	模式 3	MPU6050 默认模式 3
OLED 显示屏	SSD1306, SH1106	模式 0 / 模式 3	通常两种都兼容
SD 卡	标准 SD/MMC	模式 0	初始化后可变

2.4 模式不匹配会怎样？

模式不匹配，最直接的结果就是数据全错。我遇到过的情况：

• 数据移位：读到的数据整体左移或右移一位。比如你发 0x55，收到 0xAA。
• 数据翻转：因为采样边沿不对，每个 bit 都反了。0x55 变成 0x2A。
• 完全无响应：从设备根本不识别主机的命令，CS 拉低后没反应。

为什么会这样？因为主从设备的采样和切换边沿必须对齐。主设备在上升沿发送数据，从设备却在下降沿采样，那肯定对不上。

2.5 如何快速判断当前模式？

没有示波器怎么办？我教你一个土办法：

1. 用 MCU 发一个已知数据，比如 0x55（二进制 01010101）。
2. 从设备回读数据，看是不是 0x55。
3. 如果读到 0xAA（10101010），说明 bit 顺序反了，可能是模式问题。
4. 如果读到 0x2A（00101010），说明数据移位了，大概率是 CPHA 不对。

当然，有示波器或逻辑分析仪最好。我习惯用逻辑分析仪抓一下 SCK 和 MOSI 的波形，一眼就能看出空闲电平和采样边沿。

2.6 模式配置代码示例

以 STM32 HAL 库为例，配置 SPI 模式其实就几行代码：

// SPI 模式 0 配置
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;   // CPOL = 0
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;       // CPHA = 0

// SPI 模式 1 配置
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;   // CPOL = 0
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;       // CPHA = 1

// SPI 模式 2 配置
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;  // CPOL = 1
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;       // CPHA = 0

// SPI 模式 3 配置
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;  // CPOL = 1
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;       // CPHA = 1

Linux 下用 spidev 的话，配置更直接：

// 模式 0
uint8_t mode = SPI_MODE_0;
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

// 模式 1
uint8_t mode = SPI_MODE_1;
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

// 模式 2
uint8_t mode = SPI_MODE_2;
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

// 模式 3
uint8_t mode = SPI_MODE_3;
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);