📚 课程目录第3章 SPI协议基础

3、SPI协议基础：从物理层到四种模式

SPI，全称是Serial Peripheral Interface。说白了，就是一根时钟线带着几根数据线，主设备跟从设备之间互相倒腾数据。我最早接触SPI是在一个温湿度传感器项目上，那时候I2C地址冲突搞得我焦头烂额，换成SPI之后，整个世界清净了。

这一节，咱们把SPI的物理层、四种工作模式，以及它跟I2C到底差在哪，一次性讲清楚。

3.1 SPI总线物理层：四根线搞定一切

SPI总线通常只需要四根线。你想想看，比I2C多了两根，但换来的是全双工和更高的速度。

信号线	全称	方向	作用
SCLK	Serial Clock	主→从	时钟信号，由主设备产生
MOSI	Master Out Slave In	主→从	主设备发送数据给从设备
MISO	Master In Slave Out	从→主	从设备发送数据给主设备
CS	Chip Select	主→从	片选信号，低电平有效

这里有个关键点：CS片选线。每个从设备独占一根CS线。主设备想跟谁说话，就把谁的CS拉低。我在一个项目里挂过4个SPI从设备，结果CS线占了4个GPIO，板子布线的时候差点没把我逼疯。

核心要点：SPI是全双工通信。主设备发数据的同时，从设备也在往回发数据。哪怕你只想读一个字节，主设备也必须先发一个字节（通常是0x00或0xFF）来"骗"出从设备的数据。

3.2 SPI四种模式：CPOL和CPHA说了算

SPI的四种模式，其实就两个参数在变：CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）。

CPOL = 0：空闲时SCLK为低电平
CPOL = 1：空闲时SCLK为高电平
CPHA = 0：在第一个时钟边沿采样数据
CPHA = 1：在第二个时钟边沿采样数据

组合起来就是四种模式。我刚开始做嵌入式的时候，经常搞混模式0和模式3，结果读出来的数据全是乱的。后来我养成了一个习惯：先看从设备的数据手册，找到它支持的模式，再配置主设备。

模式	CPOL	CPHA	采样边沿	常见设备
模式0	0	0	上升沿	大多数Flash、ADC
模式1	0	1	下降沿	某些传感器
模式2	1	0	下降沿	部分LCD驱动
模式3	1	1	上升沿	SD卡、W5500

我的小技巧：如果你不确定从设备用哪种模式，先试试模式0。80%的SPI设备都支持模式0。如果不行，再试模式3。我曾经用这个"二分法"解决过好几个兼容性问题。

3.3 SPI与I2C的对比：选谁不选谁

很多初学者会问：SPI和I2C到底选哪个？我的回答是：看场景。下面这张表，是我在实际项目中总结出来的对比。

对比项	SPI	I2C
线数	4根（SCLK, MOSI, MISO, CS）	2根（SCL, SDA）
通信方式	全双工	半双工
速度	通常10-50MHz，最高可达100MHz+	标准100kHz，快速400kHz，高速3.4MHz
从设备数量	受限于主设备GPIO数量	理论上127个（7位地址）
硬件复杂度	简单，无地址概念	需要地址仲裁，稍复杂
功耗	较高（多根线同时翻转）	较低（开漏输出，上拉电阻）
典型应用	Flash、ADC、LCD、SD卡	传感器、EEPROM、RTC

我个人习惯是：如果只需要挂一两个设备，且对速度有要求，无脑选SPI。如果设备多、线数有限、速度要求不高，那就用I2C。

避坑指南：我曾经在一个项目里用SPI连接一个高速ADC，结果因为PCB走线太长，信号反射导致数据出错。后来我把SCLK频率从20MHz降到10MHz，问题就解决了。记住：SPI频率不是越高越好，信号完整性才是王道。

3.4 SPI通信流程：一次完整的数据交换

下面这张图，展示了SPI一次完整的数据交换过程。我建议你仔细看看，尤其是CS的时序。

你看，CS拉低之后，主设备开始产生时钟。每个时钟周期，MOSI上发一位，MISO上收一位。8个时钟之后，一个字节就交换完了。这就是SPI的全双工特性——发的同时也在收。

3.5 代码示例：STM32 SPI初始化（模式0）

下面是我在STM32上配置SPI模式0的代码。嗯，这里要注意：配置完SPI之后，一定要先拉高CS，再拉低CS，完成一次"伪传输"来复位从设备。这是我踩过的坑。

// SPI1 初始化 - 模式0
void SPI1_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    
    // 使能时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置GPIO: PA5(SCLK), PA7(MOSI) 推挽复用输出
    // PA6(MISO) 浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置SPI1 - 模式0
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;      // CPOL=0
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;    // CPHA=0
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
    
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

// SPI1 读写一个字节
uint8_t SPI1_ReadWriteByte(uint8_t txData) {
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    SPI_I2S_SendData(SPI1, txData);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

经验之谈：SPI的速率配置要留有余量。比如从设备支持20MHz，我一般配到10MHz或16MHz。这样即使PCB走线不太理想，也能稳定工作。记住：稳定比速度重要。

3.6 本章小结

SPI协议的核心就三点：四根线、全双工、四种模式。跟I2C比，SPI速度快、硬件简单，但占用的IO口多。选型的时候，先看你的从设备支持哪种模式，再配置主设备。CS的时序一定要处理好，拉低和拉高的时机不对，数据就全乱了。