SPI 协议基础
SPI – 串行外设接口，说白了一根时钟线、两根数据线、再加一根片选线，就能让两个芯片之间全双工地聊起来。我这些年做嵌入式，从传感器读到 Flash 写，从 ADC 采集到 OLED 刷屏，最常用的就是 SPI。别看它简单，一旦时序没弄对，数据错位、通信失败那是家常便饭。
SPI 总线架构
SPI 是典型的主从架构，只有一个主设备（Master）负责产生时钟，一个或多个从设备（Slave）被动响应。主设备通过片选信号来选择要跟哪个从设备通信。你想想看，多从机场景里，所有从机的 SCK、MOSI、MISO 其实是并联在一起的，全靠各自的 SS 引脚来区分。
| 角色 | 时钟控制 | 数据驱动方向 | 片选控制 |
|---|---|---|---|
| 主设备 | 产生 SCK | MOSI 输出，MISO 输入 | 控制所有 SS 引脚 |
| 从设备 | 接收 SCK | MOSI 输入，MISO 输出 | 等待主设备拉低自己的 SS |
这里有个容易踩的坑 – 我刚开始做设计时以为从机的 MISO 可以一直输出，结果两个从机同时把数据推到同一条线上，烧了好几个引脚。其实从机只有在自己的 SS 被选中时才能驱动 MISO，其他时候必须输出高阻态。
信号线定义
SPI 一共四根信号线，名字你可能早就背熟了，但每条线的特性还是有些细节值得聊一聊。
- SCK（Serial Clock） – 时钟线，由主设备产生。所有数据都在 SCK 的边沿采样或改变。极性和相位可以通过 CPOL 和 CPHA 来配置，一共四种模式。
- MOSI（Master Out Slave In） – 主设备输出，从设备输入。数据从主设备发往从设备。
- MISO（Master In Slave Out） – 主设备输入，从设备输出。数据从从设备发往主设备。
- SS（Slave Select） – 片选信号，低电平有效。主设备拉低某个从机的 SS，表示选中它进行通信。
我曾经在某次产品测试时发现，SPI 通信偶尔会读出全零数据，折腾了一整天才找到原因 – 从机那边的 SS 引脚上拉电阻没焊，悬空状态下噪声抖动，导致从机频繁进出选通状态。从那以后我设计板子时，SS 引脚必定加一个 10kΩ 上拉到 VCC。
全双工通信原理
全双工？说白了就是主机发一个 bit 的同时，从机也发一个 bit 回来。这个机制依赖一个“移位寄存器”结构。主从双方各有一个 8 位（或 16 位、32 位）的移位寄存器，SCK 每来一个边沿，双方的寄存器同时左移一位，主机把最高位推到 MOSI 上，同时从机把最高位推到 MISO 上。8 个时钟之后，两边的寄存器内容就交换完成了。
我刚开始学的时候，以为全双工意味着一帧数据可以同时发和收，其实你每次发出去的字节和收到的字节在时间上是对齐的，而且收和发的数据是同步移位完成的。下面这个伪代码可以帮你理解：
// SPI 发送一个字节并接收一个字节
uint8_t spi_transfer(uint8_t tx_data) {
uint8_t rx_data = 0;
for (int i = 7; i >= 0; i--) {
// 主机将 tx_data 的第 i 位输出到 MOSI
MOSI = (tx_data >> i) & 0x01;
// 从机将数据输出到 MISO（由从机硬件自动完成）
// 等待一个 SCK 周期（上升沿或下降沿）
SCK = 1;
// 读取 MISO 上的 bit，存入 rx_data 对应位
rx_data |= (MISO << i);
SCK = 0;
}
return rx_data;
}举个例子，你要从 SPI Flash 里读一个 ID 字节。通常流程是先发一个读命令（0x9F），Flash 会在接下来的 8 个时钟里把 ID 数据从 MISO 返回给你。注意，这里你发命令的时候，从机也在往 MISO 上推数据，只不过那些数据是前一次传输的残留或无效数据，别被它们误导就好。