2. SPI协议基础：通信原理、四线制与时钟极相
SPI 这玩意儿，说白了一根线都没有英特网那么复杂。但你要是没搞透它的时钟极性和相位，跟外设握手时很容易翻车。我最早做传感器驱动时，就因为 CPOL 配错了，读回来的数据全是乱的——查了半天才发现是采样边沿弄反了。今天咱们就把它从头捋一遍。
2.1 SPI 通信原理 – 主从对战
SPI 全称 Serial Peripheral Interface，是一种全双工、同步的串行通信协议。同步是什么意思？就是数据收发必须靠一个时钟信号来对齐。主设备（Master）负责产生这个时钟，从设备（Slave）只能被动响应。
我习惯把 SPI 通信比作两个人对话：主设备是问问题的那个人，时钟就是“啪、啪、啪”的打拍子声。每拍一下，双方同时说一个字，也同时听一个字。你做从设备时，不能自己输出时钟，只能跟着主设备的节奏走。
- 全双工：同一时刻既能发也能收，不像 I2C 还要分时。
- 同步：数据在时钟边沿上采样或更新。
- 主从模式：一个主设备可以挂多个从设备，但每次只选一个。
2.2 四线制信号详解
标准 SPI 只用四根线，你想想看是不是比 I2C 多了一条？但换来的是速度能飙到几十兆赫兹。
| 信号名称 | 方向 | 作用 |
|---|---|---|
| SCK | Master → Slave | 串行时钟，由主设备产生 |
| MOSI | Master → Slave | 主设备输出，从设备输入 |
| MISO | Slave → Master | 从设备输出，主设备输入 |
| CS | Master → Slave | 片选，低电平有效 |
我早期犯过一个低级错误：把 MOSI 和 MISO 接反，结果主设备发出去的命令全部跑到 MISO 线上去了，从设备自然收不到。后来我养成了一个习惯——画原理图时先标箭头方向，再连线。
片选（CS）这根线很关键。它告诉从设备“你现在是被选中的那个”。通常主设备会把多个从设备的 CS 引脚分别接到 GPIO 上，谁拉低谁就响应。但注意：CS 必须要在传输开始前拉低，传输结束后拉高。我之前遇到过某个 FLASH 芯片，如果 CS 在传输中途抖动了一下，整个页写操作就会失败。
2.3 时钟极性和相位（CPOL/CPHA）
这部分是 SPI 协议里最绕人的地方。说白了，CPOL 决定时钟空闲时的电平，CPHA 决定数据是在时钟上升沿还是下降沿采样。
- CPOL = 0：空闲时时钟为低电平。
- CPOL = 1：空闲时时钟为高电平。
- CPHA = 0：在时钟的第一个边沿采样数据（上升沿或下降沿取决于 CPOL）。
- CPHA = 1：在时钟的第二个边沿采样数据。
组合起来就有四种模式：Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）、Mode 1（0,1）、Mode 2（1,0）、Mode 3（1,1）。大多数传感器默认用 Mode 0 或 Mode 3，但也不。我记得调试一个温湿度芯片时，手册上写的是 Mode 1，我按 Mode 0 配置，读出来的温度一直跳变，最后用示波器对比才发现 CPHA 没对上。
2.4 模式选择与避坑指南
实际项目中，主设备和从设备必须在同一个模式下工作。如果从设备只支持某一种模式，主设备就得迁就它。而主设备通常可以通过软件灵活配置 CPOL 和 CPHA。步骤如下：
- 查阅从设备数据手册，确认支持的 SPI 模式（一般表格里会写 “SPI Mode 0/1/2/3”）。
- 如果手册没明确写，就找时序图，数一下时钟空闲电平，再看数据在哪个边沿发生变化。
- 配置主设备的 SPI 寄存器，确保 CPOL 和 CPHA 与从设备一致。
- 先用 500kHz 左右的低频测试，读回一个固定的寄存器值（比如芯片 ID），确认无误后再升频。
我曾经在一个项目里，同时挂了三个 SPI 从设备——一个 FLASH、一个 ADC、一个 LCD。三个片子要求的 SPI 模式都不一样，没办法共用一条 SPI 总线。最终我只好给 FLASH 和 ADC 各配一条独立的 SPI 接口，LCD 用模拟 SPI 怼在 GPIO 上。虽然麻烦，但稳定。